درسنامه آموزشی فیزیک (2) کلاس یازدهم تجربی

فصل 1: میدان الکتریکی

بازدید4/3 K

تاریخ بروزرسانی1401/05/16

در بخش 1-1 دیدیم که دو بار الکتریکی ${{q}_{1}}$ و ${{q}_{2}}$ که در فاصله‌ای از یکدیگر قرار دارند، برهم نیروی الکتریکی وارد می‌کنند. ولی این پرسش مطرح می‌شود که بارهای ${{q}_{1}}$ و ${{q}_{2}}$ چطور حضور یکدیگر را حس می‌کنند؟ به عبارت دیگر، این دو بار الکتریکی که در تماس با هم نیستند، چگونه می‌توانند بر یکدیگر نیرو وارد کنند؟ در فیزیک پاسخ این پرسش این‌گونه است که بار ${{q}_{1}}$ خاصیتی در فضای پیرامون خود ایجاد می‌کند که به آن اصطلاحاً میدان الکتریکی بار ${{q}_{1}}$ گفته می‌شود. وقتی بار ${{q}_{2}}$ را در نقطه‌ای از فضای پیرامون بار ${{q}_{1}}$ قرار دهیم، تحت تأثیر میدان الکتریکی‌ای قرار می‌گیرد که بار ${{q}_{1}}$ پیش‌تر در آن نقطه ایجاد کرده است. بنابراین، بار ${{q}_{1}}$، نه با تماس با بار ${{q}_{2}}$ بلکه به وسیلهٔ میدان الکتریکی خودش بر بار ${{q}_{2}}$ نیرو وارد می‌کند.
میدان الکتریکی در هر نقطه از فضای اطراف یک جسم باردار الکتریکی به صورت زیر تعیین می‌شود: نخست بار کوچک و مثبت ${q_0}$ موسوم به بار آزمون را در آن نقطه قرار می‌دهیم و سپس نیروی الکتریکی $\overrightarrow{F}$ وارد بر آن را اندازه می‌گیریم. آن‌گاه میدان الکتریکی $\overrightarrow{E}$ ناشی از جسم باردار در آن نقطه به صورت زیر تعریف می‌شود:

(3-1) $\vec{E}=\frac{{\vec{F}}}{{{q}_{{}^\circ }}}$

بنا به تعریف میدان الکتریکی (رابطهٔ 1-3)، میدان الکتریکی کمیتی برداری است که اندازهٔ آن برابر $E=\frac{F}{{{q}_{{}^\circ }}}$ و جهت آن همان جهت نیروی وارد بر بار آزمون است. مثلاً شکل 1-10 قسمتی از میلهٔ بارداری را نشان می‌دهد که بر بار آزمون واقع در نقطهٔ $P$ نیرو وارد می‌کند. پس میدان در این نقطه، بر اساس این نیرو تعریف می‌شود در رابطهٔ 1-3 یکای میدان الکتریکی $(\mathop E\limits^ \to )$، نیوتن بر کولن $(N/C)$ است.

شکل 1-10 میلهٔ باردار میدانی الکتریکی ایجاد می‌کند و به وسیلۀ این میدان بر بار آزمون نیرو وارد می‌کند.

مثال 1-5

بار آزمون نشان داده شده در شکل ${{q}_{{}^\circ }}=+3/0\times {{10}^{-8}}C$ است و از سوی دو گوی و یک میلهٔ باردار نیرویی برابر با $F=6/0\times {{10}^{-5}}N$ در جهت نشان داده شده بر آن وارد می‌شود.

بار آزمون

الف) میدان الکتریکی در محل بار آزمون را تعیین کنید.
ب) اگر بار $+12\times {{10}^{-8}}C$ را به جای ${q_0}$ قرار دهیم، چه نیرویی به آن وارد می‌شود؟

پاسخ: الف) بزرگی میدان الکتریکی با استفاده از رابطهٔ 1-3 برابر است با

$E=\frac{F}{{{q}_{{}^\circ }}}=\frac{6/0\times {{10}^{-5}}N}{3/0\times {{10}^{-8}}C}=2/0\times {{10}^{3}}N/C$

که جهت آن در همان سوی نیروی $\overrightarrow{F}$ نشان داده شده در شکل است.
ب) دوباره با استفاده از رابطهٔ 1-3 داریم:

$F={{q}_{{}^\circ }}E=(12\times {{10}^{-8}}C)(2/0\times {{10}^{3}}N/C)=24\times {{10}^{-5}}N$

جهت این نیرو نیز در همان سوی نیروی $\overrightarrow{F}$ نشان داده شده در شکل است.

خوب است بدانید: میدان الکتریکی مخازن نفت کش‌ها

وقتی آب به سطحی برخورد کند و از آن بپاشد، قطره‌های آب باردار می‌شوند. معمولاً قطره‌های بزرگ‌تر، دارای بار مثبت و قطره‌های کوچک‌تر، دارای بار منفی می‌شوند. قطره‌های بزرگ‌تر نسبتاً سریع فرو می‌افتند و قطره‌های کوچک‌تر که دارای بار منفی‌اند بیشتر در هوا می‌مانند. اگر تهویهٔ هوا کم باشد، تعداد قطره‌های موجود در هوا به طور چشمگیری افزایش می‌یابد و بدین ترتیب یک میدان الکتریکی بزرگ (حدود $800N/C$) ایجاد می‌شود؛ این وضعیتی است که معمولاً در حمام رخ می‌دهد. به همین ترتیب، در حین تمیزکردن مخازن کشتی‌های نفت کش، وقتی قطره‌های آب به صورت افشانه از شیلنگ خارج شده و بر کف مخزن یا دیواره‌های آن می‌پاشند، باردار می‌شوند و در نتیجه مخزن پر از بخار آب باردار می‌شود. ممکن است این ذرات باردار با نوک فلزی آب فشان شیلنگ جرقه بزنند. اگر مخزن محتوای بخار نفت خام باشد، این جرقه‌ها می‌توانند بخار را مشتعل کنند و باعث انفجار مخزن گردند. برای رفع این خطر، پیش از تمیز کردن مخزن، یک گاز بی اثر به درون آن پمپ می‌شود تا اکسیژن موجود به اندازه‌ای کاهش یابد که از بروز انفجار جلوگیری کند.