لوله

جزوه فیزیک مبحث توزیع بار در اجسام

توزیع بار الکتریکی , جسم نارسانا , جسم رسانا , میدان خالص در جسم رسانا , تعادل الکتروستاتیکی , میدان عمود بر سطح رسانا , آزمایش فارادی , کلاهک الکتروسکوپ , رسانای منزوی , چگالی سطحی بارالکتریکی , بارالکتریکی موجود در سطح , مساحت سطح خارجی , توزیع بار الکتریکی , نوزیع بار در جسم , توزیع بار الکتریکی در اجسام , اجسام رسانا , جزوه فیزیک مبحث تولید بار رسانا , جزوه فیزیک ,الکتریسیته ساکن ,  …. جزوه الکتریسیته ساکن هم قبلا در سایت قرار داده شده بود که مبحث توزیع بار الکتریکی در اجسام یک بخشی از فصل الکتریسیته ساکن می باشد. فیزیک مبحث توزیع بار در اجسام یکی از مباحث الکتریسیته ساکن می باشد که در کنکور هم سوالاتی از آن آورده شده است.

راستی اگر اینستاگرامی و یا تلگرامی هستید  می توانید مارو در این شبکه های اجتماعی دنبال کنید. این جزوه توسط استاد بزرگوار جناب آقای مجتبی جعفر بگلو تهیه و تنظیم شده است. در این جزوه مثال و تست آورده شده است و در آن نکاتی نیز ذکر شده است.

توزیع بار الکتریکی در رساناها

مثال: اگر میدان حاصل از بار q ، در فاصله 30cm از آن برابر باشد، میدان حاصل از این بار در فاصله 50cm از آن چند است؟  .                        . راه حل اول:               .                                                                          .

 

علم فیزیک

چنان که می توان دید، این میدان تمایل دارد که میدان قبلی را در فلز  حذف کند؛ در واقع، در فلز عمل حذف کردن کامل است! در غیر این صورت ،اگر در فلزیک میدان خالص E به وجود می آمد، هنوز هم بر بارهای آزاد نیرو وارد می آمد وآنها همچنان مکان خود را تغییر می دادند تا نیروها از بین بروند، یعنی میدان از بین برود. در شکل (3) استوانه طوری انتخاب شده است که دهانه آن بزرگ و ارتفاع آن کوچک است و با واردکردن بار +q به درون آن بار  را در سطح داخلی و بار  را در سطخ بیرونی القا می کند و چون تعدادی از خطوط نیروی الکتریکی از استوانه خارج شده است، پس  در سطح درونی جسم رسانا وجود دارد.  در شکل (ب) میدان های الکتریکی ناشی از این بار و بارهایی که روی سطح پوسته القا می شوند به نحوی اند که در داخل فلز  میدان الکتریکی ناشی از این بارها دقیقاً میدان ناشی از بار مرکزی را صفر کند با همه این ها میدان پوسته صفر نیست.

تحت تاثیر میدان الکتریکی خارجی، نیرویی در خلاف جهت به الکترونهای آزاد فلز وارد می آید (چرا در خلاف جهت آن ؟)، بنابراین ،الکترونها تمایل پیدامی کنند که به سمت چپ حرکت کنند (شکل الف ). اگر استوانه با در بسته انتخاب شود خط های نیرو اصلاً نمی توانند از استوانه خارج شوند و وبعد از تماس، بار القایی با بار گلوله خنثی می شودودر سطح بیرونی استوانه بار (+q)  باقی می ماند. این توزیع باری که میدان خارجی القامی کند، به نوبه خود میدان الکتریکی ایجاد می کند ،و میدان کل در هر نقطه از فضا جمع برداری میدان خارجی E و میدان ناشی از بارهای القایی روی فلز است. پس، سطح داخلی هر جسم رسانا عبارت است از سطحی که بار القایی در آن بعد از تماس با عامل القای بار ،کاملاً خنثی شود وبه اندازه بار القاگر در سطح بیرونی، بار الکتریکی به وجود آید.

در کتاب فیزیک (3) و آزمایشگاه هیچ تعریف جامعی از سطح خارجی جسم رسانه به عمل نیامده است وبه همین جهت دانش آموزان استنباط های متفاوتی از سطح خارجی جسم رسانا دارند. دو استوانه فلزی رسانا یکی با دهانه ی گشاد و دیگری با دهانه کوچک (وارتفاع بلند) را روی دو عدد الکتروسکوپ قرار می دهیم بار +q را به  درون آنها وارد می کنیم. چون داخل بلوک رسانا بار وجود ندارد، می توان بخشی از ماده را برداشت وحفره ای ایجاد کرد بی آنکه توزیع بار یا میدان الکتریکی به نحوی درجایی تغییر کند. در شکل (1)بار (+q) در سطح داخلی استوانه ، بار(-q") در سطح خارجی آن ، بار  (+q") القا می کند وچون هیچ خط نیرویی از استوانه تقریباً خارج نشده است ،  پس  .

 

میدان الکتریکی در داخل رسانا – فیزیک یازدهم (2)

چرا که اگر میدان الکتریکی در داخل رسانا صفر نباشد، بر الکترون‌های آزاد داخل رسانا طبق رابطه \(\overrightarrow{F} = q\overrightarrow{E}\) نیرو وارد شده که این نیرو باعث حرکت الکترون‌های آزاد و در نتیجه ایجاد جریان الکتریکی در داخل رسانا می‌شود که این امر خود بدین معنی است که بارهای الکتریکی در تعادل الکترواستاتیکی قرار ندارند. آزمایشات نشان می‌دهند که وقتی یک جسم رسانای خنثی در داخل یک میدان الکتریکی خارجی قرار می‌گیرد، الکترون‌های آزاد جسم رسانای خنثی تحت تاثیر این میدان الکتریکی خارجی، در مدت زمان بسیار کوتاهی در مرتبه  به گونه‌ای توزیع می‌شوند (القا می‌شوند) که روی سطخ خارجی جسم قرار می‌گیرند.

از آنجایی که ظرف رسانا دارای ضخامت قابل توجهی بوده و ما گوی فلزی باردار را به درون آن (سطح داخلی) وارد کردیم، می‌توان نتیجه گرفت که بار الکتریکی اضافه داده شده به یک رسانا روی سطح خارجی آن توزیع می‌شود. از لحاظ تاریخی، اولین بار بنیامین فرانکلین در حدود سال 1755 میلادی با انجام آزمایش‌هایی پی برد که بار الکتریکی داده شده به یک جسم رسانای الکتریکی خنثی (بدون بار)، چگونه در آن توزیع می‌شود. بررسی‌های دقیق‌تر نشان می‌دهند که پس از دادن بار الکتریکی اضافه به یک جسم رسانا، در مدت زمان بسیار کوتاهی در مرتبه  ثانیه، بارهای الکتریکی اضافی در سطح خارجی رسانا توزیع می‌شوند.

توجه داشته باشید که در شکل (6) هر جفت خطوط میدان میدان الکتریکی نشان داده شده در اصل منطبق بر یکدیگر هستند و در اینجا جهت نمایش بهتر و دیده شدن، با اندکی فاصله رسم شده‌اند. الکترواستاتیک یا الکتریسیته ساکن، شاخه‌ای از علم فیزیک بوده که مطالعه بارهای الکتریکی و نیروهای بین آن‌ها در شرایطی که بارهای الکتریکی بدون حرکت هستند، می‌پردازد. با سلام و احترام خدمت مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده به مبحث میدان الکتریکی در داخل رسانا از کتاب فیزیک یازدهم (2) بپردازیم. البته در نظر داشته باشید از آنجایی که دانش‌آموزان رشته تجربی با فیزیک این مطالب آشنا هستند، ممکن است که از این بخش‌ها سوالاتی در آزمون سراسری (کنکور) مطرح شود.

 

منبع