درسنامه آموزشی فیزیک (2) کلاس یازدهم تجربی با پاسخ فصل 1: توزیع بار الکتریکی در اجسام رسانا
جسم رسانایی را در نظر بگیرید. به نظر شما اگر باری اضافی به این جسم داده شود، چگونه در آن توزیع میشود؟ مایکل فاراده در سال 1836 میلادی با انجام آزمایشی به این سؤال پاسخ داد.
آزمایش فاراده: ظرف رسانایی با درپوش فلزی را در نظر بگیرید که روی پایهٔ نارسانایی قرار دارد و روی درپوش آن دستهای عایق نصب شده است. ابتدا ظرف بدون بار است. یک گوی فلزی را که از نخ عایقی آویزان است باردار و سپس وارد ظرف میکنیم (شکل 1-26- الف). اکنون گوی را با کف ظرف تماس میدهیم و سپس درپوش فلزی را میبندیم (شکل 1-26- ب). آنگاه درپوش فلزی را با دستهٔ عایقش برمیداریم (شکل 1-26- پ). پس از خارج کردن گوی فلزی از ظرف، آن را به کلاهک الکتروسکوپ نزدیک میکنیم. مشاهده میشود عقربهٔ الکتروسکوپ تکان نمیخورد (شکل 1-26- ت). همچنین اگر ظرف را به الکتروسکوپ نزدیک کنیم، مشاهده میشود که عقربههای الکتروسکوپ از هم فاصله میگیرند. از این آزمایش نتیجه میگیریم که بار اضافی داده شده به یک رسانا روی سطح خارجی آن توزیع میشود.

خوب است بدانید بار در سطح خارجی رسانا به گونهای توزیع میشود که میدان الکتریکی در داخل رسانا صفر شود. پدیدهٔ القا که در علوم هشتم با آن آشنا شدید ناشی از همین واقعیت است. مثلاً در شکل 1-27 جسم رسانای خنثایی در میدان الکتریکی خارجی میلهٔ بارداری قرار گرفته است. وقتی یک رسانای خنثی را در یک میدان الکتریکی خارجی قرار میدهیم، بار طوری روی سطح خارجی توزیع میشود (القا میشود) که میدان الکتریکی ناشی از آن اثر میدان خارجی را درون رسانا خنثی کند و بدین ترتیب میدان الکتریکی خالص درون رسانا صفر شود.

فعالیت 1-6 (صفحهٔ 26 کتاب درسی)
الف) در شکل شخصی را داخل یک قفس توری فلزی میبینید که نوعی از قفس فاراده است. در مورد قفس فاراده و کاربردهایش تحقیق و به کلاس گزارش کنید.
قفس فاراده یک قفس یا فضای بستهی ساخته شده از فلز یا رسانای دیگر است. اگر فردی را درون این قفس قرار داده و مولد واندوگرافی در نزدیکی قفس نصب و آن را تا حد زیادی باردار کنیم، با وجود اینکه بارهای الکتریکی به صورت جرقه از مولد به قفس جریان پیدا میکنند، فرد درون قفس آسیبی نمیبیند؛ زیرا بارهای الکتریکی در سطح خارجی قفس قرار میگیرند. در آزمایش مشابه، هنگامی که یک قوطی فلزی را که درونش یک موش آزمایشگاهی قرار دارد، به سیم حامل جریان الکتریکی وصل کنیم، چون کل جریان از سطح خارجی فلز عبور میکند به موش آسیبی نرسیده و دچار شوک الکتریکی نمیشود. طبق نظریه فاراده، امواج الکترومغناطیسی که به طور طبیعی از اطراف یک مادهی رسانا گذر میکنند به درون آن نفوذ نمیکنند. بنابراین قفس فاراده علاوه بر اینکه در برابر نفوذ بارهای الکتریکی به درونش مقاوم است، در برابر امواج رادیویی و تابشهای الکترومغناطیسی نیز مقاوم است و محافظی در برابر امواج الکترومغناطیسی استفاده میشود که در نزدیکی رادارهای پرقدرت به منظور حفاظت از افراد و همچنین محافظت از سیستمهای الکترونیکی و مخابراتی پیشرفته، از قبیل وسایل مربوط به مهندسی پزشکی، کامپیوترهای پیشرفته و ... استفاده میشود.
(اگر گوشی تلفن همراه خود را درون ظرف فلزی دربستهای قرار دهید یا یک فویل آلومینیمی را به دور آن بپیچید، از دسترس خارج خواهد شد.)
ب) تحقیق کنید چرا معمولاً شخصی که در داخل اتومبیل یا هواپیماست از خطر آذرخش در امان میماند.
بدنهی اتومبیل یا هواپیما از جنس فلز (رسانا) است. بنابراین بار الکتریکی منتقل شده به آنها طبق آزمایش فاراده در سطح خارجی قرار گرفته و به افراد اتومبیل یا هواپیما آسیبی نمیرسد.
پ) با اعضای گروه خود آزمایشهای دیگری را طراحی و اجرا کنید که نشان دهد بار اضافی داده شده به رسانا، روی سطح خارجی آن قرار میگیرد.
یک استوانهی فلزی را به مولد واندوگراف اتصال میدهیم و مطابق شکل دو آونگ درون استوانه و دو آونگ نیز بیرون میآویزیم. مشاهده میشود که آونگهای بیرون استوانه به دلیل القای بار الکتریکی از سوی استوانه و دافعه بارهای همنام، یکدیگر را دفع میکنند، ولی تغییری در وضعیت آونگهای داخل استوانه دیده نمیشود.
دیدیم که بار الکتریکی روی سطح خارجی رسانا توزیع میشود. برای اینکه دریابید بار الکتریکی داده شده به یک رسانا چگونه روی سطح خارجی آن توزیع میشود آزمایش زیر را در نظر بگیرید که اسباب آن در شکل 1-28 نشان داده شده است. یک جسم رسانای دوکی شکل را روی پایهٔ عایق قرار دهید و آن را با تماس با کلاهک مولد واندوگراف باردار کنید. گلولهای فلزی را که به دستهای عایق متصل است با بخش پهن دوک تماس داده و سپس گلوله را به سر الکتروسکوپ تماس دهید. همین آزمایش را پس از خنثی کردن الکتروسکوپ و گوی فلزی با تماس با دستتان، با نوک تیز دوک انجام دهید. خواهید دید، انحراف صفحههای الکتروسکوپ با نوک تیز دوک بیشتر از انحراف صفحهها با بخش پهن آن است. آزمایشهایی از این دست نشان میدهد تراکم بار در نقاط تیِز سطح جسم رسانای باردار از نقاط دیگر آن بیشتر است (شکل 1-29).
![]() |
![]() |
فعالیت 1-7 (صفحهٔ 27 کتاب درسی)
در مورد برق گیرهای ساختمان تحقیق کنید و بررسی کنید آنها چگونه ساختمانها را از گزند آذرخش در امان نگه میدارند.
برقگیر وسیلهای است که در بالاترین نقطهی ساختمان نصب و اولین نقطهی اصابت آذرخش است؛ زیرا رعد و برق از کوتاهترین فاصلهی بین ابر و زمین تخلیه میگردد. از نوک برقگیر نصب شده به زاویهی $45{}^\circ $ تا سطح افق را مخروط ایمنی میگویند. و هر جسمی که درون مخروط ایمنی قرار گیرد، در معرض اصابت مستقیم صاعقه نخواهد بود. به همین دلیل است که در بعضی موارد برای پوشش کل ساختمان از چندین برقگیر به صورت قفس فاراده استفاده میگردد. ارتباط بین برقگیر و زمین توسط هادی میانی انجام میگیرد. نکتهی ضروی در مورد هادی میانی تخلیهی جانبی است. اگر هنگام نصب اتصالات هادی میانی، به اندازهی کافی دقت نشود، امکان ایجاد اتصال کوتاه و تخلیهی انرژی از مسیرهای مناسب وجود دارد. با اصابت آذرخش به برقگیر انرژی به آن منتقل و توسط سیستم هادی به زمین هدایت میشود. اتصال به زمین نیز انواع مختلفی دارد از قبیل سیستم چاه، سیستم حلقه و سیستم میلهای ارت.