الكهرباء الساكنة مع الموصلات
مُقدَّم| English | المعنى |
|---|---|
| electrostatic equilibrium/ɪˌlektrəʊˈstætɪk ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ | الاتزان الكهروستاتيكي |
| Faraday cage/ˈfærədeɪ keɪdʒ/ | قفص فاراداي |
لماذا تعتبر سيارة معدنية من أكثر الأماكن أماناً في عاصفة الرعد؟
- يصطدم البرق بالسيارة، ومع ذلك يبقى الأشخاص داخلها غير مصابين.
- المحلل يحيط بالركاب بمساحة خالية من الشحنة وخالية من المجال.
- إعادة توزيع إلكترونات المعدن الحرة يلغي المجال الداخلي في لحظة.
- هذه الدرس يتعلق بكيفية تصرف المحاليل بعد توقف الشحنات عن التحرك.
لا يوجد مجال داخلي، في حالة الاتزان
- بمجرد استقرار الشحنات (الاتزان الكهروستاتيكي)، يصبح المجال الداخلي للمحلل صفراً.
- لو لم يكن كذلك، لشعرت الشحنات الحرة بقوة واستمرت في الحركة — لن تكون مستقرة.
- لذا $E = 0$ في كل مكان داخل المعدن.
- أي تجويف داخلي محمي أيضاً — وهذا ما يسمى قفص فاراداي.
داخل موصل في الاتزان الكهربائي الساكن، يكون المجال الكهربائي:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
لو لم يكن صفراً، تتحرك الشحنات الحرة — لذا عند الاتزان $E = 0$ داخله.
الموصل المجوف يحمي بداخله من الحقول الخارجية (قفص فاراداي).
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
يلغي الموصل الحقل داخل التجويف — قفص فاراداي.
جميع الشحنة تعيش على السطح
- نظراً لأن المجال الداخلي صفر، لا يمكن أن توجد شحنة صافية داخله.
- تُدفع كل جزء من الشحنة الزائدة إلى السطح.
- قانون غاوس يؤكد ذلك: أي سطح غاوس داخلي يحصر شحنة صفرية.
- تنتشر الشحنة لتجعل المحكل بأكمله جرداً واحداً.
الشحنة الزائدة على موصل صلب تقع:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
مع حقل داخلي معدوم، يجب أن تكون كل الشحنة الزائدة على السطح.
المجال خارج السطح مباشرة
- خارج السطح مباشرة، يكون المجال عمودياً عليه.
- مجال موازٍ لدفع شحنات السطح جانبياً — لكنها توقفت.
- مقدارها هو $E = \dfrac{\sigma}{\varepsilon_0}$، ويحدده كثافة الشحنة السطحية المحلية $\sigma$.
- مسطح من الداخل، وعمودي تماماً من الخارج.
موصل مشحون في حالة اتزان
رتب كل عبارة حول موصل في الاتزان الكهربائي الساكن.
خارج سطح الموصل مباشرة، يكون الحقل ____ للسطح.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
لأن المكون الموازي سيحرك شحنات السطح، فإن $E$ عمودي.
حدد كل العبارات الصحيحة حول موصل في حالة اتزان.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
حقل داخلي معدوم، شحنة سطحية، جهد واحد. الشحنة لا تمتلئ بالحجم أبداً.
الشحنة تتجمع عند النقاط الحادة
- على المحلل غير المستوٍ، تتراكم الشحنة حيث ينحني السطح بشكل حاد.
- النقاط الحادة لها أعلى $\sigma$ وأقوى مجال.
- ولهذا السبب أقماع الصواعق حادة — لأن المجال هناك يؤين الهواء أولاً.
- الأشكال الناعمة والدائرية توزع الشحنة بشكل متساوٍ أكثر.
على الموصل، الشحنة والحقل الأقوى يوجدان عند:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
تتجمع الشحنة عند النقاط الحادة، مما يعطي أعلى $\sigma$ وحقل.
تجلس داخل قفص معدني بينما يلمس قضيب مشحون الجانب الخارجي.
- ينتشر الشحن على السطح الخارجي للقفص.
- في الداخل، $E = 0$، لذا لا تشعر بشيء — القفص يحميك.
"$E = 0$ داخل" ينطبق فقط في التوازن الكهروستاتيكي — بعد أن تستقر الشحنات. خلال اللحظة الزمنية القصيرة لإعادة الترتيب، لا تكون المجالات الكهربائية داخل القفص مساوية للصفر. وينطبق هذا على مادة الموصل، وليس على شحنة تضعها في تجويف مجوف.
في التوازن الكهروستاتيكي، يمتلك الموصل $E = 0$ داخلياً، لذا تستقر جميع الشحنات الزائدة على السطح ويكون الموصل بأكمله عند جهد واحد. خارجياً مباشرة، يكون $E = \sigma/\varepsilon_0$ عمودياً على السطح؛ وتتركز الشحنات عند النقاط الحادة.