میدان الکتریکی

میدان الکتریکی – فیزیک یازدهم (۲)

زمان مطالعه: ۵ دقیقه

با سلام و احترام خدمت شما مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله مروری بر میدان الکتریکی از کتاب فیزیک یازدهم (ریاضی و تجربی) خواهیم داشت. این مقاله برای دانش آموزان دوره اول متوسطه و برای کتاب علوم تجربی نیز مفید خواهد بود. با ما در ادامه این مقاله همراه باشید.

میدان الکتریکی

در مقاله (قانون کولن – فیزیک یازدهم) دیدیم که دو بار الکتریکی می‌توانند به یکدیگر مطابق با رابطه زیر، نیرو وارد کنند.

\(\large F = k \frac{q_{1}q_{2}}{r^{2}}\)

در رابطه فوق، \(q_{1}\) و \(q_{2}\) مقدار بار بر حسب کولن، r فاصله بین دو بار و k ثابتی است که به صورت \(\frac{1}{4 \pi \epsilon_{0}}\) تعریف شده و در نتیجه به ضریب گذر دهی خلاً مربوط می‌شود. همان‌طور که می‌دانید، بسته به علامت یا نوع بارها، این نیرو می‌تواند از نوع دافعه یا جاذبه باشد. حال به نظر شما چرا این دو بار با وجود فاصله به یکدیگر نیرو وارد می‌کنند یا به عبارت دیگر چه چیزی باعث می‌شود که این دو بار به یکدیگر نیرو وارد کنند؟

اگر دقت کرده باشید در خصوص نیروی گرانشی نیز همین امر صادق است. وقتی شما در ارتفاع و تماسی با زمین ندارد، باز هم نیروی گرانشی به شما وارد می‌شود و البته نیروی گرانشی شما نیز به زمین وارد می‌شود. چنین ویژگی‌هایی با استفاده از تعریف کمیتی به نام میدان توجیه می‌شوند.

در خصوص نیروی دافعه یا جاذبه کولنی، می‌توان این گونه بیان کرد که بار \(q_{1}\) خاصیتی در فضای اطراف خود ایجاد می‌کند که به آن اصطلاحاً میدان الکتریکی بار  گفته می‌شود. حال وقتی بار \(q_{2}\) در فضای پیرامون بار \(q_{1}\) قرار ‌گیرد، یعنی در میدان الکتریکی ناشی از بار \(q_{1}\) قرار میرد، تحت تاثیر این میدان رفتار می‌کند. چرا که به آن به واسطه همین میدان نیرو وارد می‌شود. برای بار \(q_{1}\) که در میدان الکتریکی بار \(q_{2}\) قرار می‌گیرد نیز همین امر صادق است.

پس بارهای الکتریکی به واسطه میدان الکتریکی خود و نه با تماس، به سایر بار نیرو وارد می‌کنند. لازم به ذکر است که نیروی گرانشی نیز به دلیل وجود میدان گرانشی جسم است.

رابطه میدان الکتریکی

اما مقدار یا شدت (بزرگی) میدان الکتریکی در یک محیط چقدر است؟ برای پاسخ به این سوال، ابتدا یک بار کوچک و مثبت \(q_{0}\) که به بار آزمون موسوم است را در نقطه‌ای از محیط قرار داده و سپس نیروی الکتریکی \(\overrightarrow{F}\) که به آن وارد می‌شود را اندازه‌گیری می‌کنیم.

بر آزمون در نزدیکی جسم باردار

بدین ترتیب میدان الکتریکی \(\overrightarrow{E}\) ناشی از جسمی باردار در آن نقطه از فضا (محیط) به صورت زیر تعریف می‌شود.

\(\overrightarrow{E} = \frac{\overrightarrow{F}}{q_{0}}\)

میدان الکتریکی در نقطه

توجه داشته باشید که اگر مکان بار آزمون را جا‌به‌جا کنیم، نیرویی که به آن وارد می‌شود متفاوت بوده و در نتیجه مقدار میدان الکتریکی نیز تغییر می‌کند. پس میدان الکتریکی کمیتی ثابت در محیط نبوده و با تغییر فاصله از منبع آن، تغییر می‌کند.

مشاهده می‌فرمایید از آنجایی که نیرو در حالت کلی کمیتی برداری است، میدان الکتریکی نیز کمیتی برداری خواهد بود که اندازه یا شدت آن به صورت \(E = \frac{F}{q_{0}}\) تعریف می‌شود. بدیهی است که جهت بردار میدان الکتریکی همان جهت بردار نیروی الکتریکی است. با توجه به رابطه فوق، یکا یا واحد سنجش میدان الکتریکی، نیوتن بر کولن (N/C) است. اندازه (بزرگی یا شدت) برخی از میدان‌های الکتریکی متداول در جدول زیر آمده است:

میدان الکتریکی متداول

میدان الکتریکی ناشی از یک ذره باردار

در این بخش قصد داریم تا به محاسبه میدان الکتریکی ناشی از یک ذره باردار در نقطه‌ی دلخواه A که در فاصله r از ذره باردار است، بپردازیم. در اینجا نیز به بار آزمون (بار مثبت و بسیار کوچک)  نیاز داریم.

محاسبه میدان

به همین منظور بار آزمون \(q_{0}\) را در نقطه A قرار می‌دهیم. حال با استفاده از قانون کولن، نیرویی که بر آن وارد می‌شود را به صورت زیر به دست می‌آوریم:

\(\large F = k \frac{q q_{0}}{r^{2}}\)

حال با استفاده از رابطه میدان الکتریکی، می‌توانیم بزرگی یا اندازه یا شدت میدان الکتریکی بار q (منبع میدان الکتریکی در محیط) را در نقطه A به دست آوریم.

\(\large F = k \frac{|q| q_{0}}{r^{2}} \ , \ E = \frac{F}{q_{0}} \ \Rightarrow E = k \frac{|q|}{r^{2}}\)

با توجه به رابطه فوق، متوجه می‌شویم که بزرگی میدان الکتریکی در یک نقطه از محیط به عوامل زیر بستگی دارد:

  1. مقدار بار الکتریکی q که با آن (با میدان الکتریکی) نسبت مستقیم دارد. یعنی هرچه مقدار یا اندازه بار الکتریکی بیشتر باشد، میدان الکتریکی قوی‌تر است.
  2. مربع فاصله r که با آن (میدان الکتریکی) نسبت عکس دارد. یعنی هرچه فاصله از بار q (منبع میدان الکتریکی) بیشتر شود، میدان در آن فاصله (در آن نقطه) کمتر می‌شود.
  3. جهت بردار میدان الکتریکی در هر نقطه از فضا (محیط)، همان جهت نیروی الکتریکی وارد بر بار آزمون است.

نکته!

برای مقایسه شدت میدان الکتر‌یکی یک بار الکتریکی در دو فاصله مختلف \(r_{1}\) و \(r_{2}\) می توانیم به صورت زیر عمل کنیم:

\(E_{1}\) : میدان الکتریکی حاصل از بار الکتریکی در فاصله \(r_{1}\)

\(E_{2}\) : میدان الکتریکی حاصل از بار الکتریکی در فاصله \(r_{2}\)

\(\large \frac{E_{2}}{E_{1}} = (\frac{r_{1}}{r_{2}})^{2}\)

خطوط میدان الکتریکی

این بخش در مقاله‌ای جداگانه و کامل به لینک زیر، آورده شده است.

در اینجا فقط به صورت یک اشاره عنوان می‌کنیم که نیروهای دافعه یا جاذبه چگونه با میدان الکتریکی توجیه می‌شوند. در این خصوص باید گفت که اگر میدان الکتریکی در فضای اطراف یک جسم باردار را به صورت خط‌هایی جهت دار تجسم کنیم، خطوط میدان الکتریکی برای دو بار مثبت و منفی به صورت زیر است.

میدان الکتریکی بار مثبت و منفی

همان‌طور که مشاهده می‌کنید، خطوط میدان الکتریکی بار مثبت به سمت خارج است، به همین جهت وقتی بار آزمون مثبت در میدان آن قرار می‌گیرد، جهت نیرو نیز به سمت خارج بوده و لذا نیروی الکتریکی از نوع دافعه یا رانشی است.

همچنین خطوط میدان الکتریکی بار منفی به سمت داخل بوده و لذا وقتی بار مثبت در میدان آن قرار می‌گیرد، جهت نیرو نیز به سمت داخل بوده و لذا نیروی الکتریکی از نوع جاذبه است.

نکته‌ای دیگر در مورد خطوط میدان الکتریکی، این است که اگر دو بار الکتریکی مثبت و منفی در نزدیکی یکدیگر قرار گیرند، خطوط میدان الکتریکی از بار مثبت شروع و به بار منفی همانند شکل زیر ختم می‌شود.

خطوط میدان الکتریکی

جهت مطالعه تمامی نکات مربوط به خطوط میدان الکتریکی به مقاله گفته شده (لینک) مراجعه فرمایید.

دوره آموزشی الکتریسیته ساکن

امیدواریم تا این مقاله مورد پسند شما عزیزان واقع شده باشد. در انتها پیشنهاد می‌کنیم تا اگر علاقه‌مند به یادگیری کامل مبحث الکتریسیته ساکن هستید، نگاهی بر دوره الکتریسیته ساکن از کانال فیزیک پلاس بین جو داشته باشید. این دوره در مدت زمان ۲ ساعت و ۴۰ دقیقه برای شما عزیزان، جهت تدریس تمامی نکات درسی تدوین شده است.

دوره حل نمونه سوالات به مدت زمان ۲ ساعت و ۳۸ دقیقه:

الکتریسیته ساکن

همچنین پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقالات مرتبط زیر نیز داشته باشید.

خطوط میدان الکتریکی – فیزیک یازدهم (۲)

میدان الکتریکی در داخل رسانا – فیزیک یازدهم (۲)

جریان الکتریکی – فیزیک یازدهم (۲)

قانون اهم – فیزیک یازدهم (۲)

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *