درسنامۀ فصل اول فیزیک یازدهم ریاضی: الکتریستۀ ساکن + تمرین
مقدمه
الکتریسته از واژه یونانی الکترون (ēlektron) برگرفته است که به معنای کهرباست. و مقصود از الکتریسه ساکن بررسی و مطالعه بارهای ساکن است که در این فصل به آن‌خواهیم پرداخت.
1-1- بار الکتریکی
بارهای الکتریکی به دو نوع وجود دارند که بنیامین فرانکلین آنها را بار مثبت و بار منفی نام‌گذاری کرد و برای اجسام خنثی (بدون بار) بار صفر را در نظر گرفت.
از علوم پایۀ هشتم به یاد داریم که با مالش دو جسم با یکدیگر می‌توانیم آنها را بار داریم، در واقع در این فرایند الکترون‌ها که دارای بار منفی هستند از یک جسم به جسم دیگر منتقل می‌شوند که این انتقال به موجب کاهش تعداد الکترون در یک جسم می‌شود که آن را جسم بار مثبت و در جسم دیگر موجب افزایش تعداد الکترون می‌شود که آن را جسم بار مثبت در نظر می‌گیریم، اجسام با بارهای هم‌نام همدیگر را دفع و اجسام با بارهای غیرهمنام همدیگر را جذب می‌کنند. همچنین اجسام رسانا توانایی عبور الکترون‌ها را دارند از همین رو بار بر روی سراسر یک جسم رسانا توزیع خواهد شد و در صورت برخورد با یک رسانای دیگر، بار بر روی آن رسانا نیز منتقل می‌شود. بنابراین معمولاً در اجسام نارسانا از روش مالش و در اجسام رسانا از روش انتقال برای باردار کردن اجسام استفاده می‌کنند.
روش باردار کردن اجسام
برای باردار کردن اجسام با توجه به نوع جسم می‌توان از سه روش مالش، تماس و القا استفاده کرد:
- روش مالش: از روش مالش برای بارکردن اجسام نارسانا استفاده می‌کنیم، در هنگام مالش تعدادی از الکترون‌ها از یک جسم به جسم دیگر منتقل می‌شوند که باعث می‌شود جسمی که الکترون از دست داده است دارای بار مثبت و جسم که الکترون بدست آورده شود دارای بار منفی شود.
در این روش نوع ماده دو جسم تعیین کننده نحوه انتقال الکترون‌ها هستند در واقع برخی از مواد که الکترون‌خواهی آنها بیشتر است الکترون‌های ماده با الکترون‌خواهی کمتر را در اثر مالش جذب می‌کند، برخی از مواد در جدول تریبوالکتریک آمده است (جدول 1-1 کتاب درسی) که همواره الکترون‌ها از مواد بالای جدول به مواد پایین جدول منتقل می‌شود. - روش تماس: روش تماس برای باردار کردن اجسام رسانا مورد استفاده قرار می‌گیرد در این روش اگر دو جسم رسانا داشته باشیم که یکی از آنها دارای بار باشد و دیگر خنثی، آنگاه اگر دو جسم بایکدیگر تماس پیدا کنند، مقداری از بار جسم باردار به جسم خنثی منتقل می‌شود، بنابراین در نهایت بار هر دو جسم از یک نوع هستند.
نکته: اگر دو کرۀ فلزی کاملاً مشابه بارهای q1 و q2 روی پایه‌های عایق قرار بگیرد و سپس به‌هم تماس دهیم بارنهایی آنها پس از تماس برابر است با:
\[[{q_1}^\prime = {q_2}^\prime = q’ = \frac{{{q_1} + {q_2}}}{2}]
\]
ادامه این مبحث را در فایل درسنامه مطالعه کنید…
2-1- پایستگی و کوانتیده بودن بار الکتریکی
همانطور که می‌دانید اتم از دو قسمت تشکیل شده است: هسته و الکترون‌های اطراف آن. هسته‌ی اتم با وجود اینکه فضای بسیار کوچکی از اتم را اشغال می‌کند و قطر هستۀ اتم در حدود یک صدهزارم از قطر خود اتم است امّا بیشترین جرم اتم را به خود اختصاص داده است. هستۀ اتم از پروتون (p) و نوترون (n) تشکیل شده است که به‌طور قراردادی بار الکترون را منفی، بار پروتون را مثبت را در نظر می‌گیریم، نوترون‌ها نیز از لحاظ بار الکتریکی و خنثی هستند و بار آن را صفر در نظر می‌گیریم. اندازه بار هر پروتون با هر الکترون برابر است به همین علت در اتم‌ها که تعداد کل پروتون‌ها با تعداد کل الکترون‌ها برابر است اتم را بدون بار یا خنثی در نظر می‌گیریم.
در هنگام باردار یک جسم الکترون‌ها نه تولید می‌شود نه از بین می‌روند بلکه فقط از یک جسم به جسم دیگر منتقل می‌شوند و در جسمی که الکترون از دست می‌دهد دارای بار مثبت و در جسمی که الکترون دریافت می‌کند دارای بار منفی می‌شود. اندازه بار منفی الکترون که برابر اندازه بار مثبت پروتون است را به عنوان یک کمیت بنیادی در نظر می‌گیریم و آن را با نماد e نشان می‌دهیم که برابر است با:
\[e = 1/60217653 \times {10^{ – 19}}C \approx 1/60 \times {10^{ – 19}}C\]تذکر: عدد اتمی به تعداد پروتون‌های یک اتم گفته می‌شود که با نماد Z ، و عدد جرمی به مجموع تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های یک اتم گفته می‌شود که با نماد N نشان می‌دهیم.
اصل پایستگی بار
مطابق اصل پایستگی بار در یک دستگاه منزوی، مجموع همۀ بارهای الکتریکی ثابت است و تنها بارهای الکتریکی توانایی انتقال دارند ولی هرگز نه تولید می‌شوند و نه از بین می‌روند.
کوانتیده بودن بار
همانطور که گفتیم بار الکتریکی در اثر انتقال الکترون است بنابراین همواره مقدار بار الکتریکی یک جسم مضرب صحیحی از اندازه بار بنیادی e خواهد بود.
\[q = \pm ne{\rm{ , }}n = 0,1,2,…
\]\[
q=±ne,n=0,1,2,…
\]
در نتیجه اگر یک جسم خنثی n الکترون بگیرد، بارالکتریکی آن برابر است با: q = – ne
و اگر یک جسم خنتی n الکترون از دست دهد، بار الکتریکی آن برابر است با: q = + ne
ادامه این مبحث را در فایل درسنامه مطالعه کنید…
3-1 قانون کولن
به نیرویی که بین دو ذره باردار وجود دارد نیروی الکتریکی یا نیروی کولنی می‌گوییم که اگر بارهای دو ذرۀ باردار هم‌نام باشند، یعنی هر دو مثبت یا هر دو منفی باشند، نیروی بین آنها از نوع دافعه یا رانشی خواهد بود و از سوی دیگر اگر نیروی بین آنها غیرهمنام باشند، یعنی یکی دارای بار مثبت و دیگری دارای بار منفی باشند، آنگاه نیروی بین آنها جاذبه یا ربایشی خواهد بود. بسیاری از نیروهای منشاء الکتریکی دارند و پدیده‌های بسیاری را در طبیعت شکل می‌دهند.
ادامه این مبحث را در فایل درسنامه مطالعه کنید…
4-1 میدان الکتریکی
هر بار الکتریکی در فضای اطراف خود خاصیتی را به‌وجود می‌آورد که به دیگر بارهای الکتریکی موجود در این فضا نیرو وارد می‌کند که ما به این خاصیت میدان الکتریکی می‌گوییم. برای تعیین میدان الکتریکی در هر نقطه، یک بار کوچک و مثبت موسوم به بار آزمون را در نظر می‌گیریم و میدان الکتریکی را اینگونه تعریف می‌کنیم:
\[\overrightarrow E = \frac{{\overrightarrow F }}{{{q_0}}}
\]
ادامه این مبحث را در فایل درسنامه مطالعه کنید…
5-1- میدان الکتریکی حاصل از یک ذرۀ باردار
فرض کنید می‌خواهیم میدان الکتریکی ناشی از ذره‌ی باردار q را در نقطه A که در فاصله r قرار گرفته است را محاسبه کنیم، آنگاه بار آزمون q0 را در نقطه A در نظر داشته باشید که به آن نیروی
\[F = k\frac{{\left| q \right|\left| {{q_0}} \right|}}{{{r^2}}}
\]
وارد می‌شود. حال با جایگزین کردن مقدار F در رابطه
\[E = \frac{F}{{{q_0}}}
\]
خواهیم داشت:
\[E = k\frac{{\left| q \right|}}{{{r^2}}}
\]
ادامه این مبحث را در فایل درسنامه مطالعه کنید…
6-1- خطوط میدان الکتریکی
در قرن نوزدهم مایکل فارادی شیمی‌دان و فیزیکدان انگلیسی برای مجسم کردن میدان‌های الکتریکی در فضای اطراف آن از خطوط جهت‌داری موسوم به خطوط میدان الکتریکی استفاده کرد.
خطوط میدان الکتریکی در هر نقطه از فضا هم‌جهت با نیروی دارد بر بار آزمون مثبت در آن نقطه است. بنابراین جهت خطوط میدان الکتریکی برای بار مثبت رو به خارج و جهت خطوط میدان الکتریکی برای بار منفی رو به داخل خواهد بود.
در نتیجه خطوط میدان الکتریکی همواره از بارهای مثبت خارج و به بارهای منفی وارد می‌شود.
ادامه این مبحث را در فایل درسنامه مطالعه کنید…
7-1- انرژی پتانسیل الکتریکی
هنگامی که دو ذره باردار در نزدیکی خود ثابت شده است به دلیل نیروی کولنی که به یکدیگر وارد می‌کنند، دارای حرکت و انرژی جنبشی خواهد شد. می‌دانیم که طبق اصل پایستگی انرژی، خود به خود بوجود نمی‌آید بنابراین در این شرایط انرژی جنبشی تغییر حالت دیگری از نوعی انرژی است که ما آن را انرژی پتانسیل الکتریکی می‌نامیم.
بنابراین هنگامی که دو یا چند ذره باردار موجود در یک سیستم به یکدیگر نیروی کولنی وارد کنند به آن سیستم می‌توان یک انرژی پتانسیل الکتریکی U نسبت داد.
ادامه این مبحث را در فایل درسنامه مطالعه کنید…
8-1- پتانسیل الکتریکی
می‌دانیم که تغییر انرژی پتانسیل الکتریکی از رابطه
\[\Delta {U_E} = – \left| q \right|Ed\cos \theta
\]
بدست می‌آید، اگر انرژی پتانسیل الکتریکی را بر بار ذره تقسیم کنیم، این نسبت مستقل از نوع و اندازه بار الکتریکی قرار گرفته در این میدان الکتریکی یکنواخت است که ما این نسبت را اختلاف پتانسیل الکتریکی برای دو نقطه‌ای که ذره در میان آنها جابه‌جا شده است:
\[\Delta V = {V_2} – {V_1} = \frac{{\Delta {U_E}}}{q}
\]
ادامه این مبحث را در فایل درسنامه مطالعه کنید…
9-1- میدان الکتریکی در داخل رساناها
در این بخش به سراغ نحوه توزیع بار در یک جسم رسانا و نحوه تغییر این توزیع بار در صورت قرارگیری در یک میدان الکتریکی خارجی خواهیم رفت.
ادامه این مبحث را در فایل درسنامه مطالعه کنید…
10-1- خازن
خازن وسیله‌ای الکتریکی است که می‌تواند بار و انرژی الکتریکی را در خود ذخیره کند. یک خازن معمولاً از دو صفحه رسانا با هر شکلی ساخته می‌شوند که ما این رساناها را صفحه‌های خازن می‌نامیم.
ادامه این مبحث را در فایل درسنامه مطالعه کنید…
11-1- خازن با دی‌الکتریک
اگر فضای میان صفحه‌های یک خازن را با ماده‌ای عایق که به آن دی‌الکتریک می‌گوییم پر کنیم شاهد تقویت میدان الکتریکی در بین این دو صفحه و در نهایتاً افزایش ظرفیت خازن با ضریبی موسوم به ثابت دی‌الکتریک k خواهیم بود، بنابراین اگر ظرفیت خازن بدون دی‌الکتریک را با C0 نشان دهیم آنگاه ظرفیت خازن با دی‌الکتریک برابر خواهد بود با:
\[C = \kappa {C_0}
\]
ادامه این مبحث را در فایل درسنامه مطالعه کنید…
12-1- انرژی خازن
همانطور که در ابتدای مبحث خازن‌ها گفتیم، خازن یک وسیله الکتریکی برای ذخیره بار و انرژی الکتریکی است. بنابراین برای مشاهده انرژی خازن ذخیره شده کافیست پس از شارژ خازن دو سر خازن را به یک مصرف کننده الکتریکی مانند لامپ کوچک (متناسب با ظرفیت و انرژی خازن) متصل کنیم تا مشاهده کنیم که چطور انرژی الکتریکی ذخیره شده در خازن به کمک وسیله الکتریکی به انرژی قابل مشاهده (مثل نور و …) تبدیل می‌شود و پس از اتمام شارژ خازن، انرژی آن نیز به اتمام می‌رسد.
ادامه این مبحث را در فایل درسنامه مطالعه کنید…
