דלג לתוכן

מטענים חשמליים, שדות חשמלי וחוק גאוס

פיזיקה AP C: חשמל ומגנטיות · נושא 8

שיעור וידאו לנושא זה פתח את עמוד הוידאו
9:52

מטענים חשמליים, שדות חשמלי וחוק גאוס

ברק פוגע ברכב. בתוך הרכב, האנשים לא מרגישים כלום. מדוע? מעטפת המתכת סביבתם היא מוליך. המטען רץ על פני השטח החיצוניים שלו…

קריאת קול באנגלית · תרגום אנגלי + סינית שרוף בתוך הסרטון

8.1

מטען חשמלי וכוח חשמלי

סיילבוס
Learning ObjectiveEssential Knowledge

8.1.A
Describe the electric force that results from the interactions between charged objects or systems.

  • 8.1.A.1 Charge is a fundamental property of all matter.
    • 8.1.A.1.i Charge is a scalar quantity and is described as positive or negative.
    • 8.1.A.1.ii The magnitude of the charge of a single electron or proton, the elementary charge $e$, can be considered to be the smallest indivisible amount of charge.
    • 8.1.A.1.iii The charge of an electron is $-e$ and the charge of a proton is $+e$, and a neutron has no electric charge.
    • 8.1.A.1.iv A point charge is a model in which the physical size of a charged object or system is negligible in the context of the situation being analyzed.
  • 8.1.A.2 Coulomb's law describes the electrostatic force between two charged objects as directly proportional to the magnitude of each of the charges and inversely proportional to the square of the distance between the objects.
    • Relevant equation: $\left| \vec{F}_E \right| = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0} \dfrac{|q_1 q_2|}{r^2} = k \dfrac{|q_1 q_2|}{r^2}$
  • 8.1.A.3 The direction of the electrostatic force depends on the signs of the charges of the interacting objects and is along the line of separation between the objects.
    • 8.1.A.3.i Two objects with charges of the same sign exert repulsive forces on each other.
    • 8.1.A.3.ii Two objects with charges of opposite signs exert attractive forces on each other.
  • 8.1.A.4 Electric forces are responsible for some of the macroscopic properties of objects in everyday experiences. However, the large number of particle interactions that occur make it more convenient to treat everyday forces in terms of nonfundamental forces called contact forces, such as normal force, friction, and tension.

8.1.B
Describe the electric and gravitational forces that result from interactions between charged objects with mass.

  • 8.1.B.1 Electrostatic forces can be attractive or repulsive, while gravitational forces are always attractive.
  • 8.1.B.2 For any two objects that have mass and electric charge, the magnitude of the gravitational force is usually much smaller than the magnitude of the electrostatic force.
  • 8.1.B.3 Gravitational forces dominate at larger scales even though they are weaker than electrostatic forces, because systems at large scales tend to be electrically neutral.

8.1.C
Describe the electric permittivity of a material or medium.

  • 8.1.C.1 Electric permittivity is a measurement of the degree to which a material or medium is polarized in the presence of an electric field.
  • 8.1.C.2 Electric polarization can be modeled as the induced rearrangement of electrons by an external electric field, resulting in a separation of positive and negative charges within a material or medium.
  • 8.1.C.3 Free space has a constant value of electric permittivity, $\varepsilon_0$, that appears in physical relationships.
  • 8.1.C.4 The permittivity of matter has a value different from that of free space that arises from the matter's composition and arrangement.
    • 8.1.C.4.i In a given material, electric permittivity is determined by the ease with which electrons can change configurations within the material.
    • 8.1.C.4.ii Conductors are made from electrically conducting materials in which charge carriers move easily; insulators are made from electrically nonconducting materials in which charge carriers cannot move easily.

Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism only expects students to make calculations of the electric force between four or fewer interacting charged objects or systems. The analysis of the resulting electric force from more charges is allowed in situations of high symmetry. Note that students are expected to calculate the electric fields of charge distributions, as described in Topics 8.4 and 8.6.

מקור: תיאור הקורס והמבחן של College Board AP

מטען חשמלי מגיע בחיובי ושלילי; מטענים זהים דוחים, מנוגדים מושכים. המטען מוכמת – כל מטען הוא כפולה שלמה של מטען יסודי $e=1.6\times10^{-19}\ \text{C}$ – ועומד בשימור המטען: מטען לעולם אינו נוצר או נהרס, אלא רק מועבר. הכוח בין שני מטעני נקודה נתון על ידי חוק קולון:

$$\vec{F}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q_1 q_2}{r^2}\,\hat{r},$$

כוח הפוך-ריבועי לאורך הישר המחבר ביניהם, עם $\dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}=k=9.0\times10^{9}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$. עבור מספר מטענים (AP משתמש בארבעה או פחות, אלא אם כן סימטריה עוזרת), הוסף את ווקטורי הכוח על המטען שמעניין אותך – סופרפוזיציה.

מטען הוא תכונה בסיסית של חומר, ומטען נקודה הוא מודל שמתעלם מגודל של גוף טעון. הקבוע $\varepsilon_0$ הוא הפרמיטיביות של ריק – תכונה חומרית של הוואקום. הפרמיטיביות של חומר שונה מ$\varepsilon_0$, נקבעת על פי כמה החומר מקוטב בקלות, ולכן דיאלקטרית בין מטענים מחלישה את הכוח. שימו לב גם שכאשר הכוח החשמלי הרבה חזק מכבידה, כבידה שולטת בקנה מידה אסטרונומי כי גופים גדולים הם כמעט ניטרליים.

דוגמה מפורשת. שני מטענים $+2.0\ \mu\text{C}$ יושבים במרחק $0.30\ \text{m}$: $F=\dfrac{kq_1q_2}{r^2}=\dfrac{9.0\times10^{9}(2.0\times10^{-6})^2}{(0.30)^2}=0.40\ \text{N}$, דחייתי.

דוגמה מפורשת (ווקטורים). מטענים $+3.0\ \mu\text{C}$ ו$-3.0\ \mu\text{C}$ יושבים בשתי פינות של זווית ישרה, כל אחד במרחק $0.30\ \text{m}$ ממטען $+1.0\ \mu\text{C}$ בפינה. כל אחד מפעיל כוח $F=\dfrac{(9.0\times10^{9})(3.0\times10^{-6})(1.0\times10^{-6})}{0.09}=0.30\ \text{N}$ – אחד דוחה, אחד מושך, בזווית ישרה זה לזה. הכוח הכולל הוא $F_{\text{net}}=\sqrt{0.30^2+0.30^2}=0.42\ \text{N}$, מצביע ביניהם. לעולם אל תחבר גודלים blindly: רכיבים קודם.

חקור

חקרו שדה של מטען מקור

שנו את ה-סימן והגודל של המטען. הקווים מצביעים למרחק ממטען חיובי ולכיוון מטען שלילי, והעיסוק שלהם ב-$1/r^2$ ליד המטען מדמה מדוע כוח קולון $F = k\,|q_1 q_2|/r^2$ חולש עם המרחק.

8.2

מטען חשמלי ותהליך הטענה

סיילבוס

מטרות למידה 8.2.A: לתאר את התנהגות מערכת באמצעות שימור המטען.

  • 8.2.A.1 המטען הכולל או חלוקת המטען של מערכת יכולים להשתנות כתוצאה מהנוכחות, או משנויים, במטען הכולל או בחלוקת המטען של מערכות אחרות.
    • 8.2.A.1.i המטען הכולל של מערכת יכול להשתנות בשל חיכוך או מגע בין מערכות.
    • 8.2.A.1.ii הפרדת מטען מושרית מתרחשת כאשר הכוח האלקטרוסטטי בין שתי מערכות משנה את חלוקת המטענים בתוך המערכות, ומוביל לקיטוב אחת או שתי המערכות.
    • 8.2.A.1.iii הפרדת מטען מושרית יכולה להתרחש במערכות ניטרליות.
  • 8.2.A.2 כל שינוי במטען הכולל של מערכת נובע ממעבר מטען בין המערכת לסביבתה.
    • 8.2.A.2.i טעינת מערכת כוללת בדרך כלל מעבר אלקטרונים אל תוך המערכת ומהמערכת.
    • 8.2.A.2.ii המטען הכולל של מערכת יישאר קבוע אלא אם כן ישנן מעברי מטען אל תוכה או ממנה.
  • 8.2.A.3 חיבור לאדמה (Grounding) כולל חיבור חשמלי של גוף טעון למערכת גדולה בהרבה ובסביבות הניטרלית (למשל, כדור הארץ).

מקור: תיאור הקורס והמבחן של College Board AP

מוליך מאפשר למטען לנוע בחופשיות; מבודד מחזיק אותו במקומו. עצמים רוכשים מטען נטו בשלושה דרכים:

  • הטנה על ידי חיכוך: שפשוף מעביר אלקטרונים מפני שטח אחד לשני.
  • הטנה על ידי הולכה: מגע עם גוף טעון משתף מטען של אותו סימן.
  • הטנה על ידי אינדוקציה: מטען קרוב דוחה את המטען של המוליך; חבר לאדמה את הצד הרחוק, הסר את חוט האדמה תחילה, והמוליך נשאר עם הסימן המנוגד – הכל ללא מגע.

מבודד אינו מעביר מטען, אך יכול לפתח קיטוב: המולקלות שלו נמתחות או מסתובבות כך שצד אחד יהיה מעט חיובי והצד השני מעט שלילי. לכן סרק טעון מושך גזרי נייר ניטרליים. אלקטרוסקופ מראה מטען נקי על ידי דחיית העלים שלו; בכל מוליד מבודד המטען העודף יושב כולו על המשטח החיצוני.

חקור

חקרו טעינה בשחיקה

שחיקה מעבירה אלקטרונים למצופה, משאירה אותו טעון שלילית. אובייקט טעון אז מושך קיר ניטרלי או שיער (באמצעות קיטוב) אך דוחה אובייקט אחר עם מטען דומה — אותה העברת אלקטרונים עומדת מאחורי חיכוך, הולכה ואינדוקציה.

8.3

שדות חשמליים

סיילבוס
Learning ObjectiveEssential Knowledge

8.3.A
Describe the electric field produced by a charged object or configuration of point charges.

  • 8.3.A.1 Electric fields may originate from charged objects.
  • 8.3.A.2 The electric field at a given point is the ratio of the electric force exerted on a test charge at the point to the charge of the test charge.
    • Relevant equation: $\vec{E} = \dfrac{\vec{F}_E}{q}$
    • 8.3.A.2.i A test charge is a point charge of small enough magnitude such that its presence does not significantly affect an electric field in its vicinity.
    • 8.3.A.2.ii An electric field points away from isolated positive charges and toward isolated negative charges.
    • 8.3.A.2.iii The electric force exerted on a positive test charge by an electric field is in the same direction as the electric field.
  • 8.3.A.3 The electric field is a vector quantity and can be represented in space using vector field maps.
    • 8.3.A.3.i The net electric field at a given location is the vector sum of individual electric fields created by nearby charged objects.
    • 8.3.A.3.ii Electric field maps use vectors to depict the magnitude and direction of the electric field at many locations within a given region.
    • 8.3.A.3.iii Electric field line diagrams are simplified models of electric field maps and can be used to determine the relative magnitude and direction of the electric field at any position in the diagram.

8.3.B
Describe the electric field generated by charged conductors or insulators.

  • 8.3.B.1 While in electrostatic equilibrium, the excess charge of a conductor is distributed on the surface of the conductor, and the electric field within the conductor is zero.
    • 8.3.B.1.i At the surface of a charged conductor, the electric field is perpendicular to the surface.
    • 8.3.B.1.ii The electric field outside an isolated sphere with spherically symmetric charge distribution is the same as the electric field due to a point charge with the same net charge as the sphere located at the center of the sphere.
  • 8.3.B.2 While in electrostatic equilibrium, the excess charge of an insulator is distributed throughout the interior of the insulator as well as at the surface, and the electric field within the insulator may have a nonzero value.

מקור: תיאור הקורס והמבחן של College Board AP

השדה החשמלי של דו-קוטב
סליל טסלה עם טבע מתכת בראשו, משלוח ניצוצות סגולים ארוכים לאוויר
סליל טסלה משלוח ניצוצות: הוא מעלה את המתח לגובה רב כך שהשדה החשמלי ייונן את האוויר הסביב, והמטען יקפוץ אלפיו בתור פריקה נראית לעין

השדה החשמלי בנקודה הוא הכוח ליחידת מטען שמטען בדיקה חיובי קטן יחוש שם:

$$\vec{E}=\frac{\vec{F}}{q},\qquad \vec{E}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q}{r^2}\,\hat{r}\ \text{(point charge)}.$$

מטען הנמצא בשדה חש $\vec{F}=q\vec{E}$ – מטענים חיוביים לאורך השדה, מטענים שליליים נגדו. שדות ממקורות מרובים נוספים וקטורית (שוב עקרון הסופרפוזיציה). קווי שדה הופכים את השדה לנראה לעין: הם מצביעים הרחק ממטען חיובי ועבר מטען שלילי, הצפיפות שלהם מציגה את העוצמה, והם לעולם אינם נחתכים.

דפוסי קווי שדה חשמלי ללוחות מקבילים, דואידי וטען נקודתי
דפוסי קווי שדה חשמלי ללוחות מקבילים, דואידי וטען נקודתי

קווי שדה חשמלי של דיפול מצביעים מהמטען החיובי למטען השלילי *קווי שדה חשמלי של דיפול מצביעים מהמטען החיובי למטען השלילי

בשדה אחיד מטען חש כוח קבוע, ולכן הוא מאיץ באופן אחיד – אם משוגע צדדית, הוא עוקב אחרי פרבולה, בדיוק כמו גוף שנורה בכבידה.

מטען שעובר בשדה אחיד עוקב אחרי מסלול פרבולי *מטען שעובר בשדה אחיד עוקב אחרי מסלול פרבולי

אדם שנוגע בגנרטור ואן דה גראף עם השיער עומד על קצהו *המטען מתפשט על הגומחה ועל השיער; מטענים זהים נדחים, ולכן הגישה הדוחות זו את זו

חקור

חקרו קווי שדה של מטען נקודתי

הגדירו את המטען כחיובי או שלילי. קווי השדה מתחילים על מטען חיובי ומסתיימים על מטען שלילי, לעולם אינם נחתכים, ומצטופפים שם שבהם $\vec{E}$ הוא החזק ביותר — הצפיפות בקווים פרופורציונלית לגודל השדה.

מילון מונחים אימון
English עברית
Electric charge/ɪˈlektrɪk tʃɑːdʒ/ מטען חשמלי
quantized/ˈkwɒntaɪzd/ כמותי
elementary charge/ˌelɪˈmentəri tʃɑːdʒ/ מטען יסודי
conservation of charge/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv tʃɑːdʒ/ שימור מטען
point charges/pɔɪnt ˈtʃɑːdʒɪz/ טענות נקודתיות
Coulomb's law/ˈkuːlɒmz lɔː/ חוק קולון
inverse-square/ɪnˈvɜːs skweə/ הפוך-ריבועי
superposition/ˌsuːpəpəˈzɪʃn/ הפרעה (סופרפוזיציה)
fundamental property/ˌfʌndəˈmentl ˈprɒpəti/ תכונה יסודית
permittivity of free space/ˌpɜːmɪˈtɪvəti ɒv friː speɪs/ הפרמיטיביות של ריק
conductor/kənˈdʌktə/ מו Interructor
insulator/ˈɪnsjuːleɪtə/ בודד חשמלי
Charging by friction/ˈtʃɑːdʒɪŋ baɪ ˈfrɪkʃn/ טעינה בשחיקה
Charging by conduction/ˈtʃɑːdʒɪŋ baɪ kənˈdʌkʃn/ טעינה בהולכה
Charging by induction/ˈtʃɑːdʒɪŋ baɪ ɪnˈdʌkʃn/ טעינה באינדוקציה
ground/ɡraʊnd/ הארקה
polarization/ˌpəʊləraɪˈzeɪʃn/ קיטוב
electroscope/ɪˌlektrəʊˈskəʊp/ אלקטרוסקופ
electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ שדה חשמלי
test charge/test tʃɑːdʒ/ מטען בדיקה
Field lines/fiːld laɪnz/ קווי שדה
uniform/ˈjuːnɪfɔːm/ אחיד
continuous charge distribution/kənˈtɪnjuːəs tʃɑːdʒ ˌdɪstrɪˈbjuːʃn/ חלוקת טענה רציפה
linear charge density/ˈlɪnɪə tʃɑːdʒ ˈdensɪti/ צפיפות טענה ליניארית
surface charge density/ˈsɜːfɪs tʃɑːdʒ ˈdensɪti/ צפיפות מטען פני שטח
volume charge density/ˈvɒljuːm tʃɑːdʒ ˈdensɪti/ צפיפות טענה נפחית
symmetry/ˈsɪmətri/ סימטריה
8.4

שדות חשמליים של חלוקת מטען

סיילבוס
Learning ObjectiveEssential Knowledge

8.4.A
Describe the electric field resulting from a given charge distribution.

  • 8.4.A.1 Expressions for the electric field of specified charge distributions can be found using integration and the principle of superposition.
    • Relevant equation: $\vec{E} = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0} \displaystyle\int \dfrac{dq}{r^2} \hat{r}$
  • 8.4.A.2 Symmetry considerations of certain charge distributions can simplify analysis of the electric field resulting from those charge distributions.

Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism only expects students to use calculus to find the electric field resulting from the following charge distributions and locations: an infinitely long, uniformly charged wire or cylinder at a distance from its central axis, a thin ring of charge at a location along the axis of the ring, a semicircular arc or part of a semicircular arc at its center, and a finite wire or line charge at a point collinear with the line charge or at a location along its perpendicular bisector.

מקור: תיאור הקורס והמבחן של College Board AP

עבור חלוקת מטען רציפה, חתוך את הגוף לחלקים ⟨$dq$⟩ ואסוף את שדות מטעני הנקודה שלהם:

$$\vec{E}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int \frac{dq}{r^2}\,\hat{r}.$$

כתוב ⟨$dq$⟩ בעזרת צפיפות מתאימה: ⟨$\lambda\,dl$⟩ עם צפיפות המטען הקויתית (קו או טבע), ⟨$\sigma\,dA$⟩ עם צפיפות המטען השטחית, או ⟨$\rho\,dV$⟩ עם צפיפות המטען הנפחית. לאחר מכן השתמש בסימטריה כדי לבטל רכיבים לפני האינטגרציה – משפט זה הוא לרוב שלב הממונה בחישוב. מקרים של ק্যালקולוס באפר: קו סופי (נקודה מקבילה או אנכית למחצית), תיל אינסופי או צילינדר, טבע על צירו, וקשת במרכזו.

דוגמה מפורטת (טבע, על הציר). טבע ברדיוס ⟨$R$⟩ נושא מטען ⟨$Q$⟩. בנקודה ⟨$z$⟩ לאורך הציר, כל אלמנט נמצא במרחק ⟨$\sqrt{R^2+z^2}$⟩, ובזכות הסימטריה הרכיבים הצדדיים מבטלים זה את זה, ומתאים רק הרכב הצירי ($\cos\alpha=z/\sqrt{R^2+z^2}$):

$$E_z=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int\frac{dq}{R^2+z^2}\cdot\frac{z}{\sqrt{R^2+z^2}}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{Qz}{(R^2+z^2)^{3/2}}.$$

בדוק את הגבולות: ⟨$E=0$⟩ במרכז ($z=0$), והרחוק ($z\gg R$) הוא הופך ל$kQ/z^2$ – מטען נקודה, כפי שחייב להיות.

8.5

זרימה חשמלית

סיילבוס
Learning ObjectiveEssential Knowledge

8.5.A
Describe the electric flux through an arbitrary area or geometric shape.

  • 8.5.A.1 Flux describes the amount of a given quantity that passes through a given area.
  • 8.5.A.2 For an electric field $\vec{E}$ that is constant across an area $\vec{A}$, the electric flux through the area is defined as $\Phi_E = \vec{E} \bullet \vec{A}$.
    • 8.5.A.2.i The direction of the area vector is defined as perpendicular to the plane of the surface and outward from a closed surface.
    • 8.5.A.2.ii The sign of flux is given by the dot product of the electric field vector and the area vector.
  • 8.5.A.3 The total electric flux passing through a surface is defined by the surface integral of the electric field over the surface.
    • Relevant equation: $\Phi_E = \displaystyle\int \vec{E} \cdot d\vec{A}$

מקור: תיאור הקורס והמבחן של College Board AP

*זרימה חשמלית וחוק גאוס

זרימה חשמלית מודדת כמה שדה עובר דרך משטח:

$$\Phi_E=\int \vec{E}\cdot d\vec{A}.$$

שדה אחיד דרך משטח שטוח, $\Phi_E=EA\cos\theta$, כאשר וקטור השטח מאונך למשטח. הפלוקס חיובי כשהקווי שדה יוצאים מפני סגור ושלילי כשהם נכנסים – רק הרכב המאונך של $\vec{E}$ נחשב.

רדיאנס חשמלי דרך משטח תלוי בזווית בין השדה לבין נורמל המשטח
רדיאנס חשמלי דרך משטח תלוי בזווית בין השדה לבין נורמל המשטח
מילון מונחים אימון
English עברית
Electric flux/ɪˈlektrɪk flʌks/ זרם חשמלי
area vector/ˈeərɪə ˈvektə/ ווקטור שטח
Gauss's law/ˈɡaʊsɪz lɔː/ חוק גאוס
8.6

חוק גאוס

סיילבוס
Learning ObjectiveEssential Knowledge

8.6.A
Describe the properties of a charge distribution by applying Gauss's law.

  • 8.6.A.1 Gauss's law relates electric flux through a Gaussian surface to the charge enclosed by that surface.
    • Relevant equations: $\Phi_E = \dfrac{q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}$ and $\displaystyle\oint \vec{E} \cdot d\vec{A} = \dfrac{q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}$
  • 8.6.A.2 A Gaussian surface is a three-dimensional, closed surface.
  • 8.6.A.3 The total electric flux through a Gaussian surface is independent of the size of the Gaussian surface if the amount of enclosed charge remains constant.
  • 8.6.A.4 Gaussian surfaces are typically constructed such that the electric field generated by the enclosed charge is either perpendicular or parallel to different regions of the Gaussian surface, resulting in a simplified surface integral.
  • 8.6.A.5 If a function of charge density is given for a charge distribution, the total charge can be determined by integrating the charge density over the length (one dimension), area (two dimensions), or volume (three dimensions) of the charge distribution. For example: $Q_{\text{total}} = \displaystyle\int \rho(\vec{r})\, dV$
  • 8.6.A.6 Maxwell's equations are the collection of equations that fully describe electromagnetism. Gauss's law is Maxwell's first equation.
    • Relevant equation: $\displaystyle\oint \vec{E} \cdot d\vec{A} = \dfrac{q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}$

Boundary statement: AP Physics C: Electricity & Magnetism only expects students to quantitatively apply Gauss's law to point charges and charge distributions that have spherical, cylindrical, or planar symmetry.

מקור: תיאור הקורס והמבחן של College Board AP

חוק גאוס – המשוואה הראשונה במשוואות מקסוול – מקשר את הרדיאנס דרך כל משטח סגור למטען הכלוא בתוכו:

$$\oint \vec{E}\cdot d\vec{A}=\frac{Q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}.$$

זו מתאים לכל פני סגור, אך זה פתרן עבור $E$ רק כשהסימטריה מאפשרת לבחור פני גאוס שעליהם $E$ הוא קבוע ומאונך (או מקביל, תורמת אפס). שלושת הסימטריות שנבדקות במבחני AP: סימטריה כדורית (כדור מרוכז), סימטריה צילינדרית (צילינדר חופקני) וסימטריה מישורית ("קופסת טabliya" שמעבר למישור).

משטח גאוסי נבחר כדי להתאים לסימטריה של המטען
משטח גאוסי נבחר כדי להתאים לסימטריה של המטען

דוגמה מודגמת (כדור). מחוץ לכדור מטען כולל $Q$, פני גאוס כדוריים ברדיוס $r$ נותנים $E(4\pi r^2)=Q/\varepsilon_0$, ולכן $E=\dfrac{kQ}{r^2}$ – זהה למטען נקודתי במרכז. בתוך כדור מוצק טעון באופן אחיד ברדיוס $R$, הפני מכילים רק $Q_{\text{enc}}=Q\,r^3/R^3$, ולכן $E=\dfrac{kQr}{R^3}$: אפס במרכז, עולה ליניארית עד לפני הכדור.

דוגמה מופרדת (כדור). מחוץ לכדור עם מטען כולל $\lambda$, פני גאוס כדוריים ברדיוס $r$ נותנים $L$, ולכן $\vec{E}\perp d\vec{A}$ – זהה למטען נקודתי במרכז. בתוך כדור מלא טעון באופן אחיד ברדיוס $E(2\pi rL)=\dfrac{\lambda L}{\varepsilon_0}$, הפני כוללים רק $E=\dfrac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0 r}$, ולכן $E=\dfrac{\sigma}{2\varepsilon_0}$: אפס במרכז, עולה ליניארית לעבר המשטח.

מיומנות מבחן. תשובה מלאה על חוק גאוס כוללת ארבעה חלקים: שם את הפני, נסח את הארגומנט הסימטריה (מדוע $E$ קבוע ומאונך עליה), ספור את $Q_{\text{enc}}$, ואז פתר. דילוג על המשפט הסימטריה מאבד את נקודת ההסבר – וזכור שחוק גאוס מסביר גם מדוע $E=0$ בתוך כל מוליך בשיווי משקל.

מילון מונחים אימון
English עברית
Gaussian surface/ˈɡaʊʃn ˈsɜːfɪs/ פני גאוס
spherical symmetry/sˈferɪkl ˈsɪmətri/ סימטריה כדורית
cylindrical symmetry/sɪˈlɪndrɪkl ˈsɪmətri/ סימטריה צילינדרית
planar symmetry/ˈpleɪnə ˈsɪmətri/ סימטריה מישורית
8.6

טיפים לבחינות

  • השתמש בחוק קולון $F=\tfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\tfrac{q_1 q_2}{r^2}$ ובסכום כוחות כוקטורים (רכיבים, לא גדלים).
  • למטען רציף, משלבים $d\vec E$ על פני $dq=\lambda\,dl,\ \sigma\,dA,\ \rho\,dV$; משתמשים בסימטריה כדי לבטל רכיבים.
  • השדה מצביע רחוק מטען חיובי ולעבר מטען שלילי; שרטטו קווי שדה נכון.
  • הבדל בין הכוח על מטען ($\vec F=q\vec E$) לבין השדה שהמטען יוצר.
  • הבדל בין הכוח על מטען ($k=\tfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}$) לבין השדה שהמטען יוצר.

שיעורים אינטראקטיביים בנושא זה

לעבור על הדברים צעד אחר צעד, עם תרגילים לבדיקה מיידית.

מבחני עבר

נושאים נוספים בפיזיקה AP C: חשמל ומגנטיות

היכנס או צור חשבון

IGCSE, A-Level & AP