علوم پایه، فیزیک ۱۳۷۴۴ بازدید

در مطالب قبلی در مجله فرادرس در مورد میدان الکتریکی، خطوط میدان و رسانا ها صحبت کردیم. در این مطلب قصد داریم رفتار میدان الکتریکی در داخل رسانا را بررسی کنیم. عموماً وقتی یک موضوع به طور خاص در هر علمی بررسی می‌شود بدین معنی است که ویژگی منحصر به فردی از خود نشان داده است. اگر شما هم به درک رفتارهای غیرعادی در مطالب علمی علاقه‌مند هستید پیشنهاد می‌کنیم خواندن این مطلب را از دست ندهید.

رسانا

رساناها شامل بارهای آزاد هستند که به راحتی حرکت می‌کنند. هنگامی که بار اضافی بر روی یک رسانا قرار می‌گیرد یا رسانا در یک میدان الکتریکی الکترواستاتیک قرار می‌گیرد بارهای رسانا سریع به این تغییر واکنش نشان می‌دهند تا مجدداً جسم به یک حالت پایدار به نام تعادل الکترواستاتیک برسد.

شکل (1) تأثیر میدان الکتریکی را بر روی بارهای آزاد در یک رسانا نشان می‌دهد. بارهای آزاد رسانا تا زمانی که میدان عمود بر سطح رسانا باشد در حال حرکت و جنب و جوش هستند. در تعادل الکترواستاتیک هیچ عنصری از میدان به موازات سطح وجود ندارد زیرا اگر وجود داشته باشد، حرکت بیشتری از بار را تولید می کند. بار آزاد مثبت نشان داده می‌شود اما بارهای آزاد می‌توانند مثبت یا منفی باشند و در واقع در فلزات منفی هستند. حرکت یک بار مثبت معادل حرکت یک بار منفی در جهت مخالف است.

میدان الکتریکی در رسانا
تصویر 1: رفتار میدان الکتریکی در داخل رسانا نشان داده شده است.

هادی قرار داده شده در یک میدان الکتریکی قطبی خواهد شد. تصویر (2) نتیجه قرار دادن یک رسانای خنثی در یک میدان الکتریکی یکنواخت را نشان می‌دهد. این میدان در نزدیکی رسانا قویتر می شود اما به طور کامل در داخل آن ناپدید می‌شود.

قرار گرفتن رسانای خنثی در میدان الکتریکی
تصویر 2: قرار گرفتن رسانای خنثی در میدان الکتریکی. می‌توان رفتار میدان الکتریکی در داخل رسانا را مشاهده کرد.

برای آشنایی بیشتر با مفهوم میدان الکتریکی در فیزیک، می‌توانید فیلم آموزش فیزیک پایه یازدهم را که توسط فرادرس ارائه شده است مشاهده کنید. لینک این آموزش در ادامه آورده شده است.

میدان الکتریکی در داخل رسانا

همانطور که در شکل (3) نشان داده شده است بارهای اضافی قرار گرفته بر روی یک رسانای کروی توسط یکدیگر دفع شده و حرکت می‌کنند تا زمانی که به توزیع یکنواختی برسند. به بار اضافی در داخل رسانا نیرو وارد می‌شود و آن را به سطح کره می‌برد، این فرآیند تا زمانی که میدان در داخل رسانا صفر شود ادامه پیدا می‌کند. در خارج از رسانا میدان دقیقاً شبیه به جایگزینی یک رسانا با یک بار نقطه‌ای در مرکز آن است که اندازه بار نقطه‌ای برابر با بار اضافی روی کره است.

میدان الکتریکی داخل رسانا
تصویر 3: می‌توان در این حالت به جای رسانا یک بار نقطه‌ای در نظر گرفت که اندازه بار آن برابر با بار اضافی روی سطح رسانا باشد.

ویژگی‌های یک رسانا در تعادل الکترواستاتیک

  • میدان الکتریکی درون یک رسانا صفر است.
  • درست در خارج از یک رسانا خطوط میدان الکتریکی عمود بر سطح آن هستند که خطوط میدان با بارهای روی سطح پایان یافته یا شروع می‌شوند.
  • هر بار اضافی کاملاً روی سطح یا سطوح هادی قرار دارد.

خصوصیات یک رسانا با شرایطی که قبلاً بحث شد سازگار است و می‌توان از آن برای تجزیه و تحلیل هر رسانا در تعادل الکترواستاتیک استفاده کرد. این قضیه می‌تواند به برخی دستاوردهای جالب در فیزیک منجر شود که در ادامه یکی از این پدیده‌ها را توضیح داده‌ایم.

چگونه می توان یک میدان الکتریکی بسیار یکنواخت ایجاد کرد؟ همانطور که در شکل (4) نشان داده شده است یک سیستم از دو صفحه فلزی با بارهای مخالف بر روی آن‌ها را در نظر بگیرید. خصوصیات رساناها در تعادل الکترواستاتیک نشان می‌دهد که میدان الکتریکی بین صفحات از نظر مقاومت و جهت یکنواخت است. به جز در نزدیکی لبه‌ها صفحات رسانا بارهای اضافی خود را به طور یکنواخت توزیع کرده و خطوط میدانی با فاصله یکنواخت (از این رو شدت یکنواخت) و عمود بر سطوح تولید می‌کنند (از این رو جهت یکنواخت هستند زیرا صفحات صاف هستند). وقتی صفحات به هم نزدیک باشند لبه صفحات اهمیت کمتری دارند.

میدان یکنواخت الکتریکی در رسانا
تصویر 4: دو صفحه فلزی با بار اضافی برابر اما مخالف یکدیگر در شکل نشان داده شده است. میدان بین آنها از نظر قدرت و جهت یکنواخت است به جز در نزدیکی لبه‌ها. یکی از کاربردهای چنین میدانی تولید شتاب یکنواخت بارها بین صفحات است مانند تفنگ الکترونی یک تلویزیون.

مثال‌های میدان الکتریکی در داخل رسانا

مثال 1: فرض کنید کره‌ی یک مولد واندوگراف بار را جمع کرده و سپس موتور خاموش شده و کره اجازه می‌یابد تا به تعادل الکترواستاتیک برسد. بار ___.

  • الف) هم روی سطح آن و هم در کل حجم آن ساکن است.
  • ب) بیشتر در داخل کره ساکن است و فقط هنگام لمس در خارج ظاهر می‌شود.
  • ج) فقط در سطح کره ساکن است.

پاسخ: گزینه (ج) صحیح است. وقتی رسانای منزوی باردار می‌شود بار اضافی در سطح خارجی رسانا جمع می‌شود. از آنجا که مولد خاموش شده است هیچ منبع باری در داخل آن وجود ندارد و تمام بارها در خارج از کره قرار دارند.

مثال 2: قدرت میدان الکتریکی را در شش محل علامت زده شده از جسم باردار با شکل نامنظم که تصویر آن در زیر نشان داده شده است را با استفاده از عبارات صفر، نسبتاً ضعیف، متوسط و نسبتاً قوی توصیف کنید.

میدان الکتریکی در یک شکل نامنظم
تصویر 5: یک چندضلعی نامنظم و میدان الکتریکی در داخل رسانا

پاسخ: شدت میدان الکتریکی در نقاط $$A$$ و $$F$$ نسبتاً قوی است زیرا مکان‌های نوک‌تیزی در سطح رسانا هستند. میدان در نقاط $$E$$ و $$B$$ نسبتاً ضعیف هستند زیرا در نقاط نسبتاً صاف سطح هادی قرار دارند. در نقطه $$C$$ از آنجا که در محلی با انحنای کم قرار گرفته است، مقدار میدان الکتریکی در این نقطه زیاد نیست و از شدت متوسطی برخوردار است. میدان در نقطه $$D$$ صفر است زیرا در داخل رسانا قرار دارد و میدان‌های الکتریکی در داخل رساناها صفر هستند.

مثال 3: نمودار رسانای باردار با شکل نامنظم در تصویر زیر نشان داده شده است. چهار مکان در امتداد سطح نشان‌گذاری شده‌اند که آن‌ها را با $$A$$، $$B$$، $$C$$ و $$ِD$$ نمایش می‌دهیم. این مکان‌ها را به ترتیب افزایش قدرت میدان الکتریکی آن‌ها رتبه بندی کنید.

تصویر مثال 3
تصویر 6: میدان الکتریکی در داخل رسانا با توجه به شکل هندسی آن متفاوت است.

پاسخ: ترتیب شدت میدان الکتریکی در شکل بالا به صورت $$B<C<D<A$$ است. برای سطوح رسانا میدان‌های الکتریکی در مکان‌هایی که بیشترین انحنا را دارد قوی هستند مانند نقطه A. یک سطح صاف از یک جسم رسانا مانند نقطه B در قسمتی بدون انحنا قرار دارد. بنابراین نقطه B ضعیف‌ترین شدت میدان الکتریکی و نقطه A قوی‌ترین شدت میدان الکتریکی را دارد. از آنجا که نقطه D در بخشی از سطح قرار دارد که بیش از نقطه C انحنا دارد ترتیب شدت میدان در این دو نقطه از ضعیف به قوی به ترتیب ابتدا نقطه $$C$$ و سپس نقطه $$D$$ است.

مثال 4: فرض کنید که شکل پونز مانند زیر دارای بار مثبت شود. خطوط میدان الکتریکی اطراف این شکل را رسم کنید.

پونز با بار الکتریکی مثبت
تصویر 7: یک پونز با بار الکتریکی مثبت

پاسخ: خطوط میدانی که برای شکل بالا رسم می‌کنید باید این ویژگی‌ها را داشته باشد:

  • خطوط میدان الکتریکی باید از جسم با بار مثبت به سمت خارج صفحه رسم شود. برای نشان دادن این ویژگی باید هر خط میدان دارای پیکان باشد.
  • تمام خطوط میدان الکتریکی باید در نقاطی که خطوط میدان و جسم به هم می‌رسند عمود بر سطح باشند.
  • باید خطوط میدان بیشتری در انتهای نوک تیز جسم و دو قسمت کاملاً خمیده رسم شوند و خطوط کمتری در امتداد بخش‌های مسطح وجود داشته باشد.

با در نظر گرفتن تمام این ویژگی‌ها خطوط میدان به صورت زیر نمایش داده می‌شوند:

خطوط میدان اطراف یک پونز با بار مثبت
تصویر 8: خطوط میدان اطراف یک پونز با بار مثبت

مثال 4: میله‌های برق‌گیر که در خانه‌ها قرار داده می‌شوند تا خانه از صاعقه در امان بماند موثر واقع می‌شوند زیرا میدان الکتریکی در اطراف این میله‌ها ضعیف است. بنابراین جریان کمی از میله‌های برق‌گیر و در نتیجه خانه و ابرهای باردار منتقل می‌شود. توضیح دهید این جمله غلط است یا صحیح و چرا؟

پاسخ: این جمله نادرست است. زیرا میدان‌ الکتریکی در امتداد لبه‌های کاملاً خمیده یا نوک‌تیز جسم رسانا بسیار قوی است. این موضوع باعث ایجاد میدان‌های الکتریکی قوی در میله‌های برق‌گیر می‌شود. برای دانستن دلیل جلوگیری از برخورد صاعقه با خانه‌های بلند مطلب تخلیه الکتریکی و آذرخش را مطالعه کنید.

فیلم آموزش فیزیک یازدهم

آموزش فیزیک پایه یازدهم

مجموعه فرادرس در تولید و تهیه محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش فیزیک یازدهم کرده است. این مجموعه آموزشی مباحث فیزیک یازدهم را پوشش می‌دهد. در این مجموعه ابتدا به آموزش الکتریسیته ساکن، میدان الکتریکی، خطوط میدان الکتریکی، انرژی پتانسیل الکتریکی، خازن و دی الکتریک پرداخته می‌شود و در انتهای بخش اول نمونه تست‌های کنکور سراسری مورد بررسی قرار می‌گیرند.

در درس دوم این مجموعه الکتریسیته جاری مورد بحث قرار می‌گیرد و آموزش موضوعاتی نظیر جریان الکتریکی، قانون اهم، مقاومت الکتریکی، باتری و توان آن نیز پوشش داده می‌شوند. حل تست‌های کنکور سراسری مربوط به این مباحث پایان بخش این قسمت از آموزش‌ خواهد بود.

در ادامه و در درس سوم آموزش مطالب مربوط به مغناطیس‌ها ارائه می‌شود که شامل سرفصل‌هایی مانند قطب‌های مغناطیسی، میدان مغناطیسی، نیروی وارد بر سیم حامل جریان باردار و انواع مواد مغناطیسی و ویژگی‌های آن‌ها است. تست‌های کنکور سراسری مربوط به این مبحث نیز در انتهای آن مورد بررسی قرار گرفته‌اند.

در انتها و در درس چهارم القای الکترومغناطیسی و جریان متناوب مورد بررسی قرار می‌گیرد. محاسبه نیروی محرکه القایی، قانون القای فارادی و موضوعات مربوط به القاگرها از مهم‌ترین مباحث مربوط به این درس هستند. لینک این آموزش در ادامه آورده شده است.

این دوره آموزشی برای دانش‌آموزان پایه یازدهم و دانشجویان رشته‌های مهندسی که در مباحث فیزیک پایه ضعف دارند مفید است.

جمع‌بندی

در این مطلب میدان الکتریکی در داخل رسانا که یکی از سرفصل‌های فیزیک پایه یازدهم است را بررسی کردیم، همچنین ویژگی‌های یک رسانا در تعادل الکترواستاتیک را بررسی کردیم و در انتها برای درک بهتر مطلب به بررسی و حل چند مثال پرداختیم.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای ۱۰ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

«سارا داستان»، دکتری فیزیک نظری از دانشگاه گیلان دارد. او به فیزیک بسیار علاقه‌مند است و در زمینه‌ متون فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.

3 نظر در “میدان الکتریکی در داخل رسانا — به زبان ساده

  • سلام ، الآن سؤال من اینجا اینه که اولا آخه مگه میشه یک رسانای خثی رو بار دار کرد آخه اگه اینجوری بود دیگه چه نیازی به خازن ها بود بار رو در خود رسانا ذخیره میکردیم ، دوما اشاره شده وقتی رسانایی باردار میشود کل بارها بدلیل نیروی دافعه ای که به هم وارد میکنند تا جاییه که میتونند از هم دور میشند و روی سطح خارجی قرار میگیرند به همین دلیل میدان الکتریکی داخل صفره ، خب اینجا الآن بر فرض ما یه دونه الکترون باردار کنیم خب اینجوری که دیگه الکترون دور نمیشه و میدان الکتریکی داخل رسانا صفر نمیشه!!!!!!!!!!!!!!!!!؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟

    1. از استاید و کارشناسان محترم هرکی کامنتمو میبینه خواهش میکنم جواب بده? من هر روز دارم میام چک میکنم.

  • سلام وقت بخیر. از الکترواستاتیک در فلزیاب ها میشه استفاده کرد یا فقط مغناطیسی. استاتیک به فلزاتی مثل طلا نقره مس واکنشی داره؟ مثلا سنسورهای خازنی میگن اساس کارشون نیروی استاتیک اما به تمام فلزات واکنش دارن مثل مغناطیس نیست که فلزهای الکترومغناطیسی حساسند

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.