ملخص وحدة الكهرباء الساكنة فيزياء الصف العاشر المتقدم
الشحنات الكهربائية
تعريف الكهرباء الساكنة :
دراسة الشحنات الكهربائية التي يمكن تجميعها في مكان واحد
أنواع المادة كهربائيا : تنقسم المواد كهربائيا إلى ثلاث اقسام رئيسية هي
أنواع المادة كهربائيا
مواد موصلة جيدة وهي مواد غنية بالالكترونات الحره مثل الفلزات وهي تسمح بانتقال الالكترونات
مواد شبه موصلة وهي مواد بها عدد من الإلكترونات الحرة محدود وتسمح بانتقالها تحت شروط خاصة مثل السيليكون والكربون
مواد عازلة وهي مواد فقيرة في الإلكترونات الحرة ولا تسمح بانتقال الإلكترونات بسهولة مثل الزجاج والابونيت والحرير
أنواع الشحنات الكهربائية
سالبة موجبة المتعادلة
سالبة تتكون الشحنة السالبة عند تراكم أو اکتساب الإلكترونات على سطح المادة العازلة
موجبة تتكون الشحنة الموجبة عند فقد الإلكترونات من سطح المادة العازلة
متعادلة تكون الشحنة متعادلة إذا تساوی عدد الإلكترونات السالبة مع عدد البروتونات الموجبة على سطح المادة العازلة
طرق اكتساب الأجسام المعزولة شحنة كهربائية
الدلك
التماس أو التلامس ( التوصيل )
التأثير ( الحث )
الاستقطاب
أولا : فكرة الشحن بالدلك :
عرضنا فيما سبق أن أي مادة تحتوي على ذرات والذرات تتكون من نواة موجبة الشحنة يدور حولها إلكترونات سالبة الشحنة وأن الذرات متعادلة الشحن أي أن عدد البروتونات الموجبة في النواة يساوي عدد الإلكترونات السالبة التي تدور حولها . هنا يجب علينا أن نعرف أن قوة التجاذب بين الإلكترونات والنواة في بعض المواد تكون ضعيفة . لذا إذا اكتسب الجسم قليلا من الطاقة الحرارية قد يفقد بعض الإلكترونات وبذلك يصبح جسما مشحونا بشحنة موجبة بسبب نقص عدد الإلكترونات السالبة عن عدد البروتونات الموجبة . الإلكترونات المفقودة لا تذهب في الهواء ولكنها تستقر على سطح جسم أخر فيصبح جسيما مشحونا بشحنة سالبة
كيفية الشحن بالدلك :
التعرف على كيفية الشحن بالدلك لابد من أن نتعرف على بعض المواد غير الموصلة للكهرباء مثل :
الزجاج - البلاستيك - الابونيت - الحرير الجاف - الصوف الجاف
يسمى الجسم الصلب مثل الزجاج و الأبونيت ( بالمدلوك ) وتسمى المادة غير الصلبة مثل الحرير والصوف ( بالدالکه ). عند حدوث الدلك تتولد طاقة حرارية نتيجة الاحتكاك ينتج عنها انطلاق إلكترونات من أحدهما إلى الأخر فيصبح احدهما مشحون بشحنة موجبة إذا فقد إلكترونات ويصبح الآخر مشحون بشحنة سالبة لأنه اكتسب إلكترونات وشحنة الدالك تساوي شحنة المدلوك ولكنها تخالفها في النوع
ثانيا : الشحن بالتماس أو التلامس ( التوصيل ) :
ويتم ذلك عند تلامس جسمين أحدهما مشحون وأخر غير مشحون فينتقل جزء من الشحنة من الجسم المشحون إلى الجسم غير المشحون . يصبح الجسم الذي كان غير مشحون جسما مشحونا بنفس نوع شحنة الجسم الذي كان مشحونا
ملاحظة مهمة جدا :
قد لا تتساوى شحن الجسم الأول مع شحنة الجسم الثاني إلا في حالات خاصة مثل تمائل الجسمين
ثالثا : الشحن بالتأثير ( الحث ) :
يتم هذا النوع من الشحن عند اقتراب جسم مشحون من جسم غير مشحون فتتكون شحن مخالفه عند الطرف القريب على الجسم غير المشحون وذلك نتيجة لجذب شحنات الجسم المشحون للشحنات المخالفة لها وتسمى الشحنة المتكونة على الطرف القريب للجسم المشحون ( بالشحنة المقيدة ) وذلك لاشتراط وجودها وجود الجسم المشحون . يتكون على الطرف البعيد شحنة مشابهه لشحنة الجسم المشحون وذلك بسبب حدوث التنافر وتسمى الشحنة المتكونة على الطرف البعيد بالشحنة ( الحرة ) لأنها يمكن أن تتسرب إلى الأرض في حالة توصيل هذا الطرف بالأرض .
(1) عند اقتراب الجسم المشحون من الجسم غير المشحون
عند التوصيل بالأرض تتسرب الشحنة الحرة
عند رفع التوصيل بالأرض أولا ثم رفع الجسم المشحون تنتشر الشحنة المقيدة وهي شحنة مخالفة لشحنة الجسم المشحون
ملاحظة مهمة جدا :
1 - عند توصيل الطرف البعيد بالأرض تنتشر الشحنة المتكونة على الطرف البعيد في وجود الجسم المشحون . تصبح شحنة الجسم غير المشحون سابقا شحنة مخالفة لشحنة الجسم المشحون .
2 - إذا قطع التوصيل بالأرض في وجود الجسم المشحون ثم رفع أو أبعد الجسم المشحون بعد ذلك تستقر الشحنة المخالفة على الجسم غير المشحون سابقا .
3 - تستخدم هذه الطريقة لشحن جسم بشحنة مخالفة لجسم أخر
4 - إذا رفع أو ابعد الجسم المشحون قبل التوصيل بالأرض تتعادل الشحنات على الجسم الذي كان يحتوي الشحنتين المقيدة والحرة وذلك بسبب التجاذب بين الشحنات المختلفة على نفس الجسم
رابعا : الاستقطاب :
الاستقطاب هو اكتساب شحنة سطحية مؤقته تتكون عند اقتراب جسم مشحون من جسم غير مشحون مثلما يحدث في الشحن بالتأثير حيث تكون شحنة مخالفة على الطرف القريب وهي تزول مباشرة عقب زوال الجسم المشحون . إذا حدث تجاذب بين الجسم المشحون والجسم المستقطب في هذه اللحظة يحدث التلامس بين الجسم المستقطب والجسم المشحون فيكتسب الجسم المستقطب تفس شحنة الجسم المشحون فيحدث بعد ذلك تنافر بين الجسمين كما هو موضح في الصورة التالية
التأريض :
هي عملية توصيل الجسم المشحون بسطح الأرض . لتسريب الشحنة الموجودة على الجسم حيث يمكن للأرض استيعاب جميع أنواع الشحنات بجميع الكميات وذلك لكبر حجمها
قانون الشحنات الكهربائية :
الشحنات المتشابهة ( المتماثلة ) تتنتفر والشحنات المختلفة تتجاذب
ملاحظات هامة جدا : -
١ شحنة الالكترون
2 شحنة الالكترون = شحنة البروتون
قانون کولوم
عند تقریب جسم مشحون من جسم مشحون آخر يحدث بينهما اما تجانب أو تنافر . بذلك سوف يبتعد الجسم الثاني عن الأول أو يقترب منه، أي أن هناك قوة . هذه القوة اما انها قوة تجاذب أو قوة تنافر ، وهي قوة متبادلة بين جسم مشحون وجسم أخر سواء كان مشحونا أو غير مشحون كما وضحنا سابقا في عملية الاستقطاب . تسمى هذه القوة المتبادلة بلقوة الكهربائية.
أي أن مقدار القوة الكهربائية المتبادلة بين شحنتين نقطيتين يتناسب طرديا مع حاصل ضرب مقداريهما ويتناسب عكسيا مع مربع المسافة بين مركزيهما. ويختلف المقدار باختلاف الوسط الفاصل بينهما
( لفظ شحنة نقطية يقصد منه انها شحنة كهربائية باعتبار أنها مركزة في نقطة واحدة)
في الشكل شحنتان نقطيتان تفصلهما مسافة مقدارها r في الفراغ . فإن القوة الكهربية المتبادلة بينهما
ملاحظة مهمة جدا جدا
في حالة وجود شحنة بين شحنتين على استقامة واحدة
1 في حالة وجود شحنة تقع بين شحنتين يكون اتجاه محصلة القوى في اتجاه القوة الكبرى .
2 في حالة ما إذا كانت القوتين في اتجاه واحد تكون محصلة القوة حاصل جمع القوتين وهما لهما نفس الاتجاه
3 في حالة ما إذا كانت القوتين متعاكستين تكون محصلة القوة حاصل طرح وفي اتجاه القوة الأكبر
4 يكون الجسم في حالة اتزان بين قوتين اذا كانتا متساويتين ومتعاكستين
5 في حالة كرتين معلقتين بينهما مسافة وفي حالة سكون يتم اتباع القوانين الاتية
شرح طريقة الحل للحالة (5):
في مثل هذه الحالة تكون محصلة القوى في الاتجاه (X) = صفر وكذلك محصلة القوى في الاتجاه (Y) = صفر حيث تقع الكرات المعلقة تحت تأثير قوتين هما وزن الكرة (F) و القوة الكهروستاتيكية (F).
مسائل على قانون کولوم
1- شحنة مقدارها C-10 × 4.5 تقع على بعد m 3.2 من شحنة أخرى مقدارها C-10×2,8 - ما مقدار القوة المتبادلة بين الشحنتين وحدد اتجاهها بالرسم
2- شحنة مقدارها C 2.0 وضعت على بعد m 1.5 من شحنة أخرى مقدارها -3.0C ما مقدار القوة المتبادلة بين الجسمين وما نوعها واتجاهها