المجالات الكهربائية

يعد المجال الكهربائي أمرا أساسيا لفهم تفاعلات الكهرباء والشحن ويرتبط ارتباطا وثيقا بكميات مهمة مثل الجهد الكهربائي.

أي جسم مشحون يولد مجالا كهربائيا. يعتمد حجم الحقل على كمية الشحنة على الجسم ، والمسافة من الجسم حيث يتم قياس المجال. تمارس هذه الحقول أيضا قوة على الشحنات أو المواد القريبة الأخرى التي تسبب ظواهر مثيرة للاهتمام.

في هذا الفيديو ، سنعيد أولا النظر في المفاهيم الأساسية المتعلقة بالمجالات الكهربائية ، ثم سنوضح تجربة تساعد في دراسة المجالات الكهربائية والقوى التي تؤثر على الشحنات والمواد في المجال. أخيرا ، سنرى تطبيقين يستخدمان المجالات الكهربائية لصالحهم.

كما ذكرنا سابقا ، ينتج الجسم المشحون مجالا كهربائيا في الفضاء المحيط. باستخدام قانون غاوس ، يمكن إثبات أن حجم المجال الكهربائي يتناسب خطيا مع شحنة المصدر "Q" ويتناسب عكسيا مع مربع المسافة "r" من شحنة المصدر ؛ و "k" هو ثابت كولوم. وبالتالي ، فإن مضاعفة كمية شحنة المصدر تؤدي إلى مضاعفة شدة المجال. في حين أن مضاعفة مسافة القياس تقلل شدة المجال بمقدار أربع مرات.

يمكن تصور المجال الكهربائي الذي ينتجه جسم مشحون باستخدام خطوط وهمية تسمى "خطوط المجال الكهربائي". هذه الخطوط عبارة عن مجموعة من الأسهم المرسومة للمساعدة في تصور حجم الحقل واتجاه. عادة ما يتم توجيه خطوط المجال بعيدا عن شحنة المصدر الموجبة ونحو شحنة مصدر سالبة.

يمثل العدد الإجمالي لخطوط المجال التي ينتجها جسم مشحون مقدار الشحنة ، بينما تشير كثافة الخطوط في موقع معين في الحقل إلى الحجم في ذلك الموقع. لذلك ، يتم تعبئة الخطوط بشكل وثيق بالقرب من كرة مشحونة ، في حين أنها أكثر انتشارا على مسافة أكبر من المصدر .

يتم تحديد اتجاه المجال الكهربائي لشحنة المصدر غير المعروف عن طريق وضع شحنة اختبار في محيط شحنة المصدر ، ومراقبة ما إذا كانت شحنة الاختبار تنجذب نحو شحنة المصدر أو يتم صدها بعيدا عنها.

يتم تحديد حجم هذه القوة "F" من خلال قانون كولوم ، الذي ينص على أن القوة تتناسب خطيا مع شدة المجال الكهربائي ومقدار الشحنة على شحنة الاختبار. للاتجاه: إذا كانت شحنة الاختبار موجبة ، فإن اتجاه القوة على شحنة الاختبار هو نفس اتجاه المجال الكهربائي. ومع ذلك ، إذا كانت شحنة الاختبار سالبة ، فإن اتجاه القوة يكون معاكسا لاتجاه المجال الكهربائي لشحنة المصدر.

يمكن أن تنتج المجالات الكهربائية أيضا فرق جهد كهربائي ، أو انخفاض الجهد ، على طول اتجاه المجال. تمت مناقشة هذه الظاهرة بالتفصيل في فيديو الإمكانات الكهربائية لهذه المجموعة. على العكس من ذلك ، من المهم ملاحظة أن المجالات الكهربائية يتم إنشاؤها أيضا عن طريق تطبيق جهد مختلف على موصلين منفصلين. في هذه الحالة ، يشير اتجاه المجال من الجهد الأعلى إلى الجهد الأدنى.

بالإضافة إلى الأجسام المشحونة ، تؤثر المجالات الكهربائية أيضا على المواد المحايدة الشحنة ، مثل الأسلاك النحاسية. تتكون جميع المواد المحايدة من كمية ضخمة ومتساوية من الشحنات الموجبة والسالبة. لذلك تمارس المجالات الكهربائية قوة على كل من هذه الشحنات. مما أدى إلى إزاحة مجموعات كبيرة من الشحنات في المادة. يمكن أن يؤدي هذا إلى فصل فعال بين الشحنات الموجبة والسالبة ويعرف باسم "الاستقطاب".

في القسم التالي ، سنرى كيفية تصور خطوط المجال للمجال الكهربائي الناتجة عن تطبيق الفولتية على تكوينين مختلفين للقطب. وفي القسم التالي سنرى تأثير القوى الكهربائية وظاهرة الاستقطاب باستخدام الورق والفراء وقضيب الأكريليك وعلبة الصودا.

يتكون العرض التوضيحي من مولد إلكتروستاتيكي ، مثل مولد Genecon الثابت المحمول أو مولد van der Graff ، وزوج من الأقطاب الكهربائية مرتبة في تكوين دائرة متحدة المركز ، وزوج من الأقطاب الكهربائية مرتبة بالتوازي مع بعضها البعض ، وطبق بتري أو خزان مراقبة.

يمتلئ خزان المراقبة بزيت لزج ، مثل زيت الخروع ، وحوالي نصف جرام من المسحوق القابل للاستقطاب ، مثل بذور السميد.

قم بتحميل خزان المراقبة المملوء بالزيت ومستحلب المسحوق في حامله. بعد ذلك ، قم بتركيب اللوحة بتكوين القطب المتوازي على الحامل. باستخدام الكابلات ، قم بتوصيل الأقطاب الكهربائية بالأطراف السالبة والموجبة للمولد الكهروستاتيكي.

أدر كرنك المولد 5 لفات كاملة على الأقل ، مما يؤدي إلى خلق فرق جهد بين الموصلين وإنشاء مجال كهربائي. نظرا لأن المسحوق المضاف قابل للاستقطاب ، فإن بقع المسحوق ستبدأ ببطء في الاصطفاف مع خطوط المجال الكهربائي.

بعد ذلك ، من أجل تحييد الشحنات ، قم بقصر المحطات الموجبة والسالبة مباشرة عن طريق توصيل كابل بين المحطات. بعد الانتظار بضع ثوان حتى تتبدد الشحنة ، افصل كابل القصر عن المحطات. ثم قم بفك لوحة القطب من الحامل.

الآن ، قم بتركيب اللوحة بتكوين قطب دائري متحد المركز على الحامل. امزج الزيت والمسحوق القابل للاستقطاب في خزان المراقبة عن طريق لف الإعداد بعناية.

قم بتشغيل المولد وقم بتشغيله لمدة 5 لفات كاملة على الأقل لإنشاء مجال كهربائي بين حلقتي الموصل. سيشكل المسحوق بين الحلقات خطوطا مشعة تشير إلى أن خطوط المجال الكهربائي في هذه المنطقة تشبه خطوط المجال الكهربائي لشحنة نقطية تقع في وسط الحلقات. في المقابل ، لا يمتلك المسحوق داخل الدائرة الداخلية محاذاة ملحوظة تشير إلى عدم وجود مجال كهربائي ملحوظ في هذه المنطقة.

الآن دعونا نناقش تجربة توضح الاستقطاب وقوى المجال الكهربائي. العناصر الشائعة المستخدمة في هذا العرض التوضيحي هي علبة صودا فارغة ، وقضيب أكريليك ، وقطعة من الفراء كبيرة بما يكفي للالتفاف حول القضيب ، وشريط من الورقة.

ضع علبة الصودا الفارغة على جانبها حتى تتدحرج بحرية. لف قطعة الفراء حول القضيب وافركها من النهاية إلى النهاية 10 مرات على الأقل. عن طريق فرك القضيب ، فإنك تنقل الإلكترونات فعليا من الفراء إلى القضيب وتجعل القضيب سالبا الشحنة مما يسمح له بتوليد المجال الكهربائي اللازم للحث على الاستقطاب.

قم بتقريب القضيب المشحون من علبة الصودا الفارغة ولاحظ القوى الجذابة على العلبة عندما تبدأ في التدحرج نحو القضيب. وذلك لأن المجال الكهربائي للقضيب يؤدي إلى استقطاب علبة الصودا. يتم تقريب الشحنات المقابلة في العلامة لتلك الموجودة على القضيب من القضيب ، بينما يتم دفع الشحنات من نفس العلامة بعيدا عن القضيب. ينتج عن هذا أن يمارس القضيب قوى جذابة ومثيرة للاشمئزاز على العلبة. نظرا لأن الشحنات المعاكسة أقرب إلى القضيب ، فإن هذه التجارب قوة أقوى ، والتي تنتج قوة جاذبة صافية نحو القضيب.

بعد ذلك ، قم بإحضار القضيب المشحون بالقرب من شريط الورق ولاحظ أن الورق ينحني نحو القضيب. السلوك الجذاب هو نتيجة لنفس تأثير الاستقطاب المستحث الذي تسبب في تدحرج علبة الصودا نحو القضيب. ومن المثير للاهتمام ، أنه على الرغم من وزنها أقل بكثير من الصودا ، إلا أن الحركة الإجمالية للورق صغيرة نسبيا. ويرجع ذلك إلى الطبيعة العازلة للورق مقارنة بالطبيعة الموصلة للعلبة ، مما يؤدي إلى استقطاب أضعف بكثير.

المجالات الكهربائية موجودة في كل مكان لأنها موجودة أينما توجد أجسام مشحونة أو اختلافات في الجهد.

الكهرباء ، أو التيار الكهربائي ، هي نتيجة لمجالات القوة الكهربائية التي تدفع الشحنة عبر أسلاك عالية التوصيل. على نطاق واسع ، يتضمن ذلك توجيه الكهرباء من محطات الطاقة إلى المباني السكنية والتجارية. على نطاق أصغر ، يعد مرور التيار الكهربائي عبر الدائرة أمرا أساسيا لتشغيل أي جهاز إلكتروني ، مثل LED أو المصباح الكهربائي أو المروحة أو الكمبيوتر.

يستخدم قياس الطيف الكتلي المجالات الكهربائية لتحديد المحتوى الكيميائي للعينة. في هذا الجهاز ، يتم أولا إنشاء الجزيئات المتأينة عن طريق تطبيق قوى قوية ، مثل شعاع الإلكترون أو البلازما أو الليزر. ثم يتم تمرير هذه الجزيئات المشحونة عبر مجموعة من المجالات الكهربائية المتناوبة. يمارس المجال قوة كهربائية على الجزيئات ، مما يغير مسارها ، مما يؤدي إلى انفصال فعال.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE إلى Electric Fields. يجب أن تفهم الآن المبادئ التي تحكم حجم واتجاه المجالات الكهربائية ، وكيفية تصور خطوط المجال الكهربائي ، وكيف يمكن إحداث الاستقطاب بواسطة مجال كهربائي. شكرا للمشاهدة!