پیش از این دیدیم بارهای الکتریکی در فضای پیرامون خود میدان الکتریکی ایجاد می‌کنند. آیا می‌توانید بردار میدان الکتریکی را در نقاط پیرامون یک ذرّه باردار مثبت یا منفی تجسم کنید؟ مایکل فاراد هنخستین بار در میانهٔ قرن نوزدهم میلادی روشی را برای تجسم این بردارها ارائه کرد. برای مجسم کردن میدان الکتریکی در فضای اطراف اجسام باردار از خط‌های جهت‌داری موسوم به خطوط میدان الکتریکی استفاده می‌کنیم.

درون یک ظرف شیشه‌ای یا پلاستیکی با عمق کم، مقداری پارافین مایع یا روغن کرچک به عمق حدود $0/5cm$ بریزید و داخل آن دو الکترود نقطه‌ای قرار دهید. الکترودها را با سیم به پایانه‌های مثبت و منفی یک مولد ولتاژ بالا، مانند مولد وان دوگراف وصل کنید. روی سطح پارافین، مقدار کمی بذر چمن یا خاکشیر بپاشید. مولد را روشن کنید. اکنون به سمت گیری دانه‌ها در فضای بین دو الکترود توجه کنید. شکل سمت‌گیری دانه‌ها در این فضا را رسم کنید.

دو الکترود نقطه‌ای

دانه‌ها تحت تأثیر میدان الکتریکی ایجاد شده توسط الکترودها، هم ردیف شده و خطوط میدان الکتریکی را مطابق شکل در فضای اطراف الکترودها نمایش می‌دهند.

دو الکترود نقطه‌ای

اگر یک بار آزمون را در نزدیکی یک ذرّهٔ باردار مثبت یا منفی قرار دهیم، بسته به نوع بار، نیروی الکتریکی وارد به بار آزمون در جهت دور شدن از ذرّه (شکل 1-13- الف) و یا در جهت نزدیک شدن به آن (شکل 1-13- ب) خواهد بود.

خط‌های میدان در هر نقطه، هم جهت با بردار میدان الکتریکی در آن نقطه است (شکل 1-14).

بنابراین، طرحی که از سمت‌گیری دانه‌ها در فعالیت 1-3 دیدید، در واقع طرحی از خطوط میدان الکتریکی در فضای بین دو الکترود بوده است.

قاعده‌های رسم خطوط میدان الکتریکی عبارت‌اند از:
1- در هر نقطه، بردار میدان الکتریکی باید مماس بر خط میدان الکتریکی عبوری از آن نقطه و درهمان جهت باشد (شکل 1-15).

شکل 1-15 میدان الکتریکی در هر نقطۀ برداری است مماس بر خط میدانی که از آن نقطه می‌گذرد و با آن خط میدان هم جهت است.

2- میزان تراکم خطوط میدان در هر ناحیه از فضا نشان دهندهٔ اندازهٔ میدان در آن ناحیه است؛ هرجا خطوط میدان متراکم‌تر باشد، اندازهٔ میدان بیشتر است (شکل 1-16).

3- در آرایشی از بارها خطوط میدان الکتریکی از بارهای مثبت شروع و به بارهای منفی ختم می‌شوند.
4- خطوط میدان برایند هرگز یکدیگر را قطع نمی‌کنند (شکل 1-17) یعنی از هر نقطهٔ فضا فقط یک خط میدان الکتریکی می‌گذرد.

شکل 1-17 خطوط میدان از بارهای مثبت شروع و به بارهای منفی ختم می‌شوند و هرگز یکدیگر را قطع نمی‌کنند.

تجسم واقعی خطوط میدان، در فضاست، و بنابراین طرحی سه بعدی دارد (شکل 1-18).

شکل 1-18 نمایش سه بعدی خطوط میدان برای یک دوقطبی الکتریکی.

به نظر شما چرا خطوط میدان الکتریکی برایند هرگز یکدیگر را قطع نمی‌کنند؟
از آنجایی که به بارهای الکتریکی در راستای خطوط میدان نیرو وارد می‌شود، اگر خطوط میدان در یک نقطه یکدیگر را قطع کنند، در این نقطه دو میدان الکتریکی برایند در جهت‌های مختلف وجود خواهد داشت. بنابراین با قرار دادن ذره‌ی باردار در این نقطه، دو مسیر حرکت برای ذره پیش‌رو است که امکان‌پذیر نیست. بنابراین خطوط میدان برایند یکدیگر را قطع نمی‌کنند.

میدان الکتریکی یکنواخت: اگر دوباره اسباب فعالیت 1-3 را سوار کنید و این بار الکترودهای نقطه‌ای را با دو صفحهٔ فلزی موازی جایگزین کنید و دوباره به سمت‌گیری دانه‌ها در فضای بین دو الکترود توجه کنید، طرحی از خطوط میدان الکتریکی را مشاهده می‌کنید که در شکل 1-19 نشان داده شده است. خطوط این میدان، در فضای بین دو صفحه و دور از لبه‌های صفحات، مستقیم، موازی و هم فاصله اند؛ یعنی بردار میدان در تمام نقاط بین دو صفحه هم اندازه و هم جهت است. به چنین میدانی، میدان الکتریکی یکنواخت گفته می‌شود (شکل 1-20).

شکل 1-19 سمت گیری دانه‌ها در فضای بین دو الکترود صفحه‌ای موازی

شکل 1-20 طرحی از خطوط میدان یکنواخت بین دو صفحۀ رسانای موازی با بارهای هم اندازه و ناهمنام

نیروی الکتریکی وارد بر بار الکتریکی در یک میدان الکتریکی: گرچه برای تعریف میدان الکتریکی یک جسم باردار از بار آزمون مثبت استفاده کردیم، ولی وجود این میدان مستقل از بار آزمون است. بنابراین، اگر بار الکتریکی $q$ در میدان الکتریکی $\overrightarrow{E}$ ناشی از اجسام باردار دیگری قرار گیرد، این میدان بر آن نیروی $\overrightarrow{F}$ را وارد می کند. نیروی $\overrightarrow{F}$ از رابطهٔ زیر به دست می‌آید:

(6-1) $\overrightarrow{F}=q\overrightarrow{E}$

بزرگی این نیرو از رابطهٔ $F=|q|E$ به‌دست می‌آید، و جهت آن اگر $q$ مثبت باشد، در همان جهت $\overrightarrow{E}$ و اگر $q$ منفی باشد، در خلاف جهت $\overrightarrow{E}$ خواهد بود.

بار $-q$ را در نقطه‌های $A$ ، $B$ و $C$ از میدان الکتریکی غیر یکنواخت شکل زیر قرار دهید و جهت نیروی الکتریکی وارد بر این بار منفی را تعیین کنید.

جهت نیروی الکتریکی

در هر نقطه‌ای از میدان الکتریکی به بار منفی نیرو در خلاف جهت میدان وارد می‌شود.

تولید مثل برخی از گل‌ها به زنبورهای عسل وابسته است. گرده‌ها به واسطهٔ میدان الکتریکی، از یک گل به زنبور و از زنبور به گل دیگر منتقل می‌شوند. در این باره تحقیق کنید.
زنبورهای عسل معمولاً در حین پرواز دارای بار مثبت می‌شوند و وقتی به گرده بدون باری بر روی بساک یک گل می‌رسند، میدان الکتریکی آنها باعث القای بار منفی در یک در یک سمت گرده شده و جاذبه‌ی بین بارهای مثبت و منفی سبب کشیده شدن گرده به سمت زنبور می‌شود. گرده‌ها روی مویژه‌های ریز زنبور قرار می‌گیرند. وقتی زنبور در اطراف گل دیگری پرواز می‌کند بارهای منفی را بر روی کلاله‌ی گل القا می‌کند. هرگاه نیروی الکتریکی وارد از طرف کلاله به گرده متصل به زنبور، بزرگتر از نیروی الکتریکی وارد از طرف زنبور بر گرده باشد، گرده به سمت کلاله کشیده و گرده‌افشانی صورت می‌پذیرد.

تولید مثل برخی از گل‌ها به زنبورهای عسل وابسته است

مثال 1-9 : آزمایش قطره روغن میلیکان
همان‌طور که پیش‌تر دیدیم بار الکتریکی با هر مقداری ظاهر نمی‌شود؛ بلکه همواره مضرب درستی از بار بنیادی $e$ است $(q=\pm ne)$ . آزمایش کلاسیک فیزیک‌دان آمریکایی رابرت میلیکان به توضیح این امر می‌پردازد. این آزمایش اکنون به نام آزمایش قطره روغن میلیکان معروف است. میلیکان بین دو ورقهٔ فلزی موازی و افقی میدان الکتریکی قائم یکنواخت $\overrightarrow{E}$ را توسط یک منبع ولتاژ بالا ایجاد کرد (که می‌توانست آن را قطع و وصل کند). او در مرکز ورقهٔ بالایی چندین روزنهٔ کوچک ایجاد کرده بود که از طریق آنها قطره‌های روغن حاصل از یک روغن پاش به ناحیهٔ بین دو ورقه می‌پاشید. بیشتر این قطره‌ها در اثر مالش با دهانهٔ خروجی روغن پاش، باردار می‌شدند. میلیکان با تغییر دادن میدان الکتریکی بین صفحات به حرکت قطره‌های روغن در این فضا توجه کرد و با تحلیل این حرکت و با در نظر گرفتن مقاومت هوا، نیروی الکتریکی وارد بر هر قطره را محاسبه کرد و از آنجا بار الکتریکی هر قطره را تعیین کرد. میلیکان با تکرار آزمایش قطره روغن به دفعات زیاد و با قطره روغن‌های متفاوت دریافت که بار قطره‌ها برابر بار بنیادی $e$ یا مضرب درستی از این مقدار است. شکل زیر اسباب واقعی آزمایش اولیهٔ میلیکان و طرحی از آن اسباب را نشان می‌دهد.

اکنون وضعیتی را در نظر بگیرید که قطرهٔ روغن در فضای بین دو صفحه معلق است. اگر جرم این قطرهٔ روغن $8/2\times {{10}^{-15}}kg$ و میدان الکتریکی دارای بزرگی $1/0\times {{10}^{5}}N/C$ و رو به پایین باشد، تعداد الکترون‌هایی که قطره جذب کرده یا از دست داده است، چقدر است؟
پاسخ: چون قطرهٔ روغن در میدان الکتریکی معلق است و وزن همواره رو به پایین اثر می‌کند، بنابراین، نیروی الکتریکی باید مطابق شکل رو به بالا بر قطرهٔ روغن اثر کند. چون جهت نیروی الکتریکی رو به بالا و جهت میدان الکتریکی رو به پایین است، نتیجه می‌گیریم که بار قطرهٔ روغن باید منفی باشد؛ یعنی باید قطرهٔ روغن الکترون به دست آورده باشد. حال به دنبال تعداد الکترون‌هایی هستیم که این قطره به دست آورده است. از شرط تعادل نیروها داریم:

$\Rightarrow |q|E=mg$ وزن = نیروی الکتریکی

و در نتیجه

$|q|=\frac{mg}{E}=\frac{(8/2\times {{10}^{-15}}kg)(9/8N/kg)}{1/0\times {{10}^{5}}N/C}\simeq 8/0\times {{10}^{-19}}C$

از طرفی می‌دانیم $|q|=ne$ است. در نتیجه

$n=\frac{8/0\times {{10}^{-19}}C}{1/60\times {{10}^{-19}}C}=5$

بنابراین، قطرهٔ روغن 5 الکترون به دست آورده است.

نیروی الکتریکی و وزن

رابرت اندرو میلیکان (1953- 1868م)
آمریکایی که در سال فیزیک‌دان خبره 1923میلادی به خاطر کار خود در تعیین بار الکترون و نیز اثر فوتوالکتریک برندهٔ جایزهٔ نوبل گردید.

رابرت اندرو میلیکان

روی سطح بادکنکی به جرم $10/0g$ بار الکتریکی $-200nC$ ایجاد می‌کنیم و آن را در یک میدان الکتریکی قرار می‌دهیم. بزرگی و جهت این میدان الکتریکی را در صورتی که بادکنک معلق بماند، تعیین کنید. از نیروی شناوری وارد به بادکنک چشم پوشی کنید.
برای اینکه بادکنک در میدان الکتریکی معلق بماند، نیروی الکتریکی وارد بر بادکنک باید روبه بالا باشد تا نیروی وزن آن را خنثی کند. چون به بار منفی نیرو در خلاف جهت میدان وارد می‌شود، بنابراین میدان الکتریکی رو به پایین است. بزرگی میدان الکتریکی نیز به صورت زیر به دست می‌آید:

${{F}_{E}}=W\to |q|E=mg\to E=\frac{mg}{|q|}=\frac{10\times {{10}^{-3}}\times 10}{200\times {{10}^{-9}}}=0/5\times {{10}^{6}}\frac{N}{C}\to E=5\times {{10}^{5}}\frac{N}{C}$ شرط معلق بودن

جهت میدان الکتریکی

رسوب دهندهٔ الکتروستاتیکی $(ESP)$ دود و غبار را از گازهای زائدی که از دودکش کارخانه‌ها و نیروگاه‌ها بالا می‌آید جدا می‌سازد. رسوب دهنده‌ها انواع مختلفی دارند. در مورد اساس کار این رسوب دهنده‌ها تحقیق کنید. شکل‌های روبه رو تأثیر رسوب دهنده را در کاهش آلودگی هوای ناشی از یک دودکش نشان می‌دهد.
رسوب دهنده دستگاهی است که با ایجاد یک میدان الکتریکی، ذرات موجود در یک گاز یا هوا را از آن جدا می‌سازد. این فیلتر طی دو مرحله عمل جداسازی ذرات را انجام می‌دهد: در مرحله‌ی اول ذرات معلق در هوا پس از عبور از «کرونای تخلیه» که ناحیه‌ی کوچکی در فیلتر است باردار می‌شوند. در مرحله‌ی دوم، این ذرات که به بار اشباع خود رسیده‌اند، توسط یک میدان الکتریکی قوی از جریان هوا جدا گردیده و به سوی یک الکترود که جهت خنثی‌سازی بار این ذرات به کار می‌رود حرکت می‌کنند. در آنجا با از دست دادن بار خود بر روی یک بستر مناسب ته‌نشین می‌شوند. مزیت برتر این نوع فیلتر نسبت به سایر فیلترها این است که افت فشار کمتری در مسیر جریان هوا ایجاد می‌کند. همچنین برای جداسازی ذرات کوچک‌تر از یک میکرون که فیلترهای دیگر بازده جداسازی پایینی دارند، استفاده از این فیلتر مناسب است.

دودکش کارخانه‌ها و نیروگاه‌ها

جستجوهای پرتکرار

درسنامه آموزشی فیزیک (2) پایه یازدهم رشته علوم ریاضی با پاسخ 6-1 خطوط میدان الکتریکی

با گنجینه سوال

با گنجینه سوال

دین و زندگی (2)

دین و زندگی (2)

جامعه شناسی (2)

فیزیک (2)

تاریخ معاصر ایران

علوم و فنون ادبی (2)

روانشناسی

اقتصاد

تاریخ (2)

فلسفه (1)

فارسی (2)

زبان انگلیسی (2)

عربی (2) انسانی

آمار و احتمال

فیزیک (2)

زیست شناسی (2)

ریاضی (2)

تفکر و سواد رسانه‌ای

هندسه (2)

انسان و محیط زیست

فعالیت 1-3 (کار در کلاس) (صفحهٔ 17 کتاب درسی)

پرسش 1-4 (صفحهٔ 19 کتاب درسی)

پرسش 1-5 (صفحهٔ 19 کتاب درسی)

فعالیت 1-4 (صفحهٔ 19 کتاب درسی)

تمرین 1-7 (صفحهٔ 21 کتاب درسی)

فعالیت 1-5 (صفحهٔ 21 کتاب درسی)

نمونه سوالات مشابه

اطلاع از تغییرات در بسته‌های گاما

کاربر عزیز سلام!

درسنامه آموزشی فیزیک (2) پایه یازدهم رشته علوم ریاضی با پاسخ 6-1 خطوط میدان الکتریکی

با گنجینه سوال

با گنجینه سوال

دین و زندگی (2)

دین و زندگی (2)

جامعه شناسی (2)

فیزیک (2)

تاریخ معاصر ایران

علوم و فنون ادبی (2)

روانشناسی

اقتصاد

تاریخ (2)

فلسفه (1)

فارسی (2)

زبان انگلیسی (2)

عربی (2) انسانی

آمار و احتمال

فیزیک (2)

زیست شناسی (2)

ریاضی (2)

تفکر و سواد رسانه‌ای

هندسه (2)

انسان و محیط زیست

فعالیت 1-3 (کار در کلاس) (صفحهٔ 17 کتاب درسی)

پرسش 1-4 (صفحهٔ 19 کتاب درسی)

پرسش 1-5 (صفحهٔ 19 کتاب درسی)

فعالیت 1-4 (صفحهٔ 19 کتاب درسی)

تمرین 1-7 (صفحهٔ 21 کتاب درسی)

فعالیت 1-5 (صفحهٔ 21 کتاب درسی)

نمونه سوالات مشابه