با سلام و احترام خدمت شما مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده به مبحث خطوط میدان الکتریکی از کتاب فیزیک یازدهم (۲) بپردازیم. مبحث خطوط میدان الکتریکی، موضوعی مشترک برای هر رشته ریاضی و تجربی است.
فهرست مطالب این نوشته
خطوط میدان الکتریکی
همان‌طور که می‌دانید، بارهای الکتریکی در فضای اطراف خود، میدان الکتریکی ایجاد می‌کنند که از طریق همین میدان به سایر ذرات نیرو وارد می‌کنند. اما تا به حال فکر کرده‌اید که میدان الکتریکی به چه شکل هستند؟!
دانشمند انگلیسی، مایکل فاراده نخستین بار در میانه قرن ۱۹ میلادی، آزمایشاتی انجام داد تا بتواند درک و تجسمی از میدان الکتریکی که ماهیتی برداری نیز دارند، پیدا کند. بر اساس نتایج مایکل فاراده، میدان الکتریکی در اطراف اجسام باردار، توسط خط‌هایی جهت‌دار، موسوم به خطوط میدان الکتریکی نشان داده می‌شود.
برای آنکه کاری مشابه با آزمایشات مایکل فاراده در خصوص تجسم میدان الکتریکی انجام دهید، می‌توانید آزمایش ساده زیر را انجام دهید.
در یک ظرف شیشه‌ای (یا پلاستیکی – نارسانا) با عمق کم، مقداری روغن کرچک یا پارافین به عمق حدودی نیم سانتی‌متر بریزید. داخل آن دو الکترود فلزی متصل به مولد ولتاژ بالا قرار دهید. حال اگر روی سطح پارافین یا روغن کرچک مقدار بذر چمن یا دانه خاکشیر بپاچید، نتیجه‌ای همانند شکل زیر را خواهید دید.
شکل (۱) : درک شهودی از خطوط میدان الکتریکی
برای تجسم خطوط میدان الکتریکی، به جهت‌گیری دانه‌ها در حوالی دو الکترود که در شکل فوق، به وضوح مشخص هستند دقت کنید. بدیهی است که یک الکترود مثبت و دیگری منفی است.
حال اجازه دهید تا نگاهی بر خطوط میدان الکتریکی بارهای مثبت و منفی داشته باشیم. همان‌طور که می‌دانید، اگر یک بار آزمون مثبت (باری بسیار کوچک که توزیع بار اطراف محیط خود را برهم نزند.) در نزدیکی یک ذره باردار مثبت یا منفی قرار گیرد، نیروی الکتریکی به آن وارد می‌شود.
در صورتی که بار مثبت باشد، بار آزمون دور می‌شود یعنی نیرویی دافعه به آن وارد می‌شود. در حالی که اگر بار منفی باشد، بار آزمون به سمت بار منفی حرکت می‌کند. یعنی نیروی الکتریکی از نوع جاذبه است.
شکل (۲) : جهت نیروی وارد شده با بار آزمون در اطراف بار الکتریکی (در میدان الکتریکی)
با توجه به جهت نیرویی که به بار آزمون وارد می‌شود می‌توانیم بگوییم که خطوط میدان الکتریکی در اطراف بارهای مثبت و منفی به شکل زیر است.
شکل (۳) : جهت خطوط میدان الکتریکی برای دو بار الکتریکی مثبت و منفی
با توجه به شکل فوق، خطوط میدان الکتریکی در جهت دوره شدن از بار q+ و به سمت وارد شدن به بار q- قرار دارند.
با توجه به این نکته، سمت‌گیری دانه‌ها در آزمایشی که در بالا بیان شد، طرحی از خطوط میدان الکتریکی در فضای بین دو الکترود مثبت و منفی بود. در شکل زیر خطوط میدان الکتریکی برای یک دو قطبی الکتریکی (یک بار مثبت و یک بار منفی) نشان داده شده است. توجه داشته باشید که تجسم صحیح خطوط میدان الکتریکی به صورت سه بعدی صحیح است. چرا که این خطوط در فضای سه بعدی (هر سه چهت) قرار دارند.
شکل (۴) : نمایشی سه بعدی از خطوط میدان الکتریکی دو قطبی الکتریکی
رسم خطوط میدان الکتریکی
جهت رسم خطوط میدان الکتریکی می‌توان ۴ قاعده به شرح ذیل در نظر گرفت:
۱) در هر نقطه، بردار میدان الکتریکی باید مماس بر خط میدان الکتریکی عبوری از آن نقطه و در همان جهت باشد.
شکل (۵) : میدان الکتریکی در هر نقطۀ برداری است مماس بر خط میدانی که از آن نقطه می‌گذرد و با آن خط میدان هم جهت است.
۲) میزان تراکم خطوط میدان الکتریکی در هر ناحیه از فضا نشان دهنده اندازه میدان الکتریکی در آن ناحیه است؛ در هر مکان که خطوط میدان متراکم‌تر باشد، اندازه میدان الکتریکی بیشتر است.
شکل (۶) : اطراف نقطه A خطوط میدان متراکم‌تر از اطراف نقطه B هستند. پس بزرگی میدان الکتریکی در A بیشتر از B است.
۳) در آرایشی از بارها، خطوط میدان الکتریکی از بارهای مثبت شروع و به بارهای منفی ختم می شوند (همانند دو قطبی)
شکل (۷) : خطوط میدان از بار مثبت شروع و به بار منفی ختم می‌شود. خطوط میدان برایند یکدیگر را قطع نمی‌کنند.
۴) خطوط میدان الکتریکی برآیند هرکز یکدیگر را قطع نمی‌کنند. در واقع از هر نقطه فضا فقط یک خط میدان الکتریکی گذر می‌کند.
شکل (۸) : نمایش خطوط میدان الکتریکی دو بار منفی (خطوط میدان برایند یکدیگر را قطع نمی‌کنند)
پرسش ۱-۴ کتاب فیزیک ۲ (ریاضی) | ۱-۵ تجربی
به نظر شما چرا خطوط میدان الکتریکی برآیند هرکز یکدیگر را قطع نمی‌کنند؟
پاسخ: همان‌طور که می‌دانید، نیروی الکتریکی وارد شده به بار الکتریکی، در راستای خطوط میدان الکتریکی است. حال اگر در یک نقطه خطوط میدان الکتریکی، یکدیگر را قطع نکنند، در این نقطه دو نیروی الکتریکی برآیند (در جهت‌های مختلف) به بار الکتریکی وارد می شود. این امر باعث می شود تا این بار الکتریکی که در چنین نقطه‌ای قرار گرفته، به طور هم‌زمان در دو مسیر مختلف حرکت کند که این موضوع امکان پذیر نیست. بنابراین خطوط میدان الکتریکی برایند هرکز یکدیگر را قطع نمی‌کنند.
در زیر تصاویری از نمایش خطوط میدان نشان داده شده است.
شکل (۹) : نمایشی از ۴ حالت خطوط میدان الکتریکی
شکل (۱۰) : نمایشی از خطوط میدان الکتریکی چهار قطبی الکتریکی
میدان الکتریکی یکنواخت
در مقاله (خازن) دیدیم که بین دو صفحه خازن تخت همانند شکل زیر، خطوط میدان الکتریکی موازی هستند و در هر نقطه بین این دو صفحه اندازه و جهت بردار میدان الکتریکی ثابت است.
شکل (۱۱) : میدان الکتریکی بین دو صفحه خازن تخت را می‌توان یکنواخت در نظر گرفت.
پس بین دو صفحه موازی همانند ساختار خازن تخت، خطوط میدان (با صرف نظر کردن از لبه‌های صفحات – صفحه بی نهایت) موازی و هم فاصله‌اند؛ یعنی بردار میدان در تمام نقاط بین دو صفحه هم اندازه و هم جهت است. به چنین میدانی، میدان الکتریکی یکنواخت گفته می‌شود.
شکل (۱۲) : سمت گیری دانه‌های خاکشیر در آزمایش ظرف حاوی پارافین بین دو الکترود تخت موازی
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:
امیدواریم که این مقاله برای شما عزیزان مفید واقع شده باشد. در ادامه پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقالات زیر نیز داشته باشید.
القای الکترومغناطیسی – فیزیک یازدهم (۲)
حرکت هماهنگ ساده – فیزیک دوازدهم (۳)
پرتوزایی یا رادیواکتیویته – فیزیک دوازدهم (۳)
دیدگاهتان را بنویسید