میدان الکتریکی

همه ما با نیروی الکتریکی آشنا هستیم. مثلا می‌دانیم که وقتی بادکنک را با موهایمان مالش می‌دهیم و به دیوار نزدیک می‌کنیم در اثر نیروی الکتریکی بادکنک به دیوار می‌چسبد.

تا مدتی دانشمندان فقط می‌دانستند که بارهای الکتریکی بر هم نیرو وارد می‌کنند اما نمی‌دانستند از چه راهی؟ در واقع دو بار که در فاصله‌ای از هم قرار دارند و در تماس باهم نیستند چگونه حضور یکدیگر را درک می‌کنند و بر یکدیگر نیرو وارد می‌کنند؟

برای پاسخ به این سوال مفهوم میدان الکتریکی معرفی شد. دانشمندان اینگونه بیان کردند که: هر بار الکتریکی در اطراف خودش اثری در فضا ایجاد می‌کند که به آن میدان الکتریکی می‌گوییم.

یعنی:

هر بار الکتریکی در فضای پیرامون خود خاصیتی ایجاد می‌کند که اگر بار دیگری در آنجا قرار بگیرد، به آن نیرو وارد می‌شود به این خاصیت میدان الکتریکی می‌گویند.

پس از آنکه شارل آگوستین کولن دانشمند فرانسوی توانست عامل‌های موثر بر نیروی الکتریکی بین دو ذره باردار را کشف کند مایکل فارادی مفهوم میدان الکتریکی را معرفی کرد.

چون میدان الکتریکی پدیده‌ای نامرئی و غیرقابل مشاهده مستقیم است، برای تشخیص وجود و اندازه آن باید از اثر میدان بر بار آزمون استفاده کنیم.

بار آزمون:

بار آزمون به باری نقظه‌ای و کوچک گفته می‌شود که برای بررسی وجود و ویژگی‌های میدان الکتریکی در یک نقطه از فضا به کار می‌رود.

نحوه استفاده از بار آزمون:

وقتی می‌خواهیم میدان الکتریکی را بررسی کنیم دو جنبه مهم داریم.

۱-اندازه میدان

۲-جهت میدان

برای اندازه میدان می‌توانیم از هر بار آزمونی (مثبت یا منفی) استفاده کنیم.

در تعیین جهت میدان باید بار آزمون را مثبت در نظر بگیریم.

فرض کنید بار q در فضا قرار دارد. برای بررسی میدان اطراف آن بار آزمونی با مقدار$q_{۰}$ را در نقطه‌ای در فاصله r از آن قرار می‌دهیم. اگر بر این بار آزمون نیروی$\overrightarrow{F}$ وارد شود، می‌گوییم در آن نقطه میدان الکتریکی وجود دارد و مقدار آن از رابطه زیر بدست می‌آید:

$E=\frac{F}{q_{۰}}$

میدان الکتریکی کمیتی برداری است که اندازه آن برابر $E=\frac{F}{q_{۰}}$ و جهت آن در جهت نیروی وارد بر بار آزمون مثبت است. یکای میدان الکتریکی $\frac{N}{C}$ است.

$\overrightarrow{E}=\frac{\overrightarrow{F}}{q_{۰}}$

میدان الکتریکی حاصل از چند ذره باردار:

برای محاسبه اندازه میدان الکتریکی ناشی از ذره‌ای با بار q در نقطه‌ای به فاصله r از این نقطه از رابطه زیر استفاده می‌کنیم:

$E=k\frac{\left| q \right|}{r^{۲}}$

طبق این رابطه اندازه میدان الکتریکی با اندازه بار الکتریکی نسبت مستقیم و با مربع فاصله از آن نسبت وارون دارد.

اگر چند بارالکتریکی ذره‌ای داشته باشیم میدان الکتریکی ناشی از این بارها در نقطه‌ای از فضا به این ترتیب است که ابتدا باید میدان الکتریکی ناشی از هر ذره را در آن نقطه بدست آورد سپس این میدان‌ها را به صورت برداری با یکدیگر جمع کرد.

$\overrightarrow{E}=\overrightarrow{E_{۱}}+\overrightarrow{E_{۲}}+...$

خطوط میدان الکتریکی:

میدان الکتریکی اطراف بار الکتریکی دیده نمی‌شود. بنابراین برای اینکه جهت میدان و شدت آن را تجسم کنیم از خطوط فرضی استفاده می‌کنیم که به این خطوط می‌گوییم خطوط میدان.

ویژگی‌های خطوط میدان الکتریکی:

1. خطوط میدان هیچ‌گاه همدیگر را قطع نمی‌کنند؛ یعنی در هر نقطه از فضا فقط یک خط میدان الکتریکی می‌گذرد.
2. در هر نقطه، جهت خطوط میدان در جهت نیروی وارد بر بار مثبت آزمون است.
3. هرچه خطوط به هم نزدیک‌تر شوند، میدان قویتر است.
4. در هر نقطه، بردار میدان الکتریکی مماس بر خط میدان عبوری از آن نقطه و در همان جهت است.

نحوه کار با شبیه‌ساز

این شبیه‌ساز به شما این امکان را می‌دهد تا بارها را در فضا قرار دهید و خطوط میدان الکتریکی را مشاهده کنید. شدت میدان و جهت میدان الکتریکی را بررسی کنید و تاثیر بار آزمون را بسنجید.

وقتی وارد شبیه ساز می‌شوید یک بار الکتریکی ذره‌ای برای شما در نظر گرفته شده است که می‌توانید اندازه و نوع آن را از سمت راست شبیه‌ساز انتخاب کنید. با انتخاب افزودن بار (یا نماد +) از قسمت بالا می‌توانید یک بار مثبت یا منفی در صفحه قرار دهید و با انتخاب حذف بار (نماد -) بار الکتریکی را حذف کنید. با انتخاب خطوط میدان الکتریکی، نمایشی از خط‌های میدان الکتریکی اطراف بارهای مورد نظر رسم می‌شود. بار آزمون را در محل دلخواه قرار دهید تا تاثیر میدان الکتریکی در آن نقطه اندازه‌گیری شود.

با انتخاب نمایش E بردار میدان الکتریکی در نقاط معین نشان داده می‌شود. اگر بیش از یک بار الکتریکی در صفحه داشته باشید می‌توانید بردار میدان الکتریکی ناشی از هر بار الکتریکی و میدان الکتریکی برایند را در نقطه معین ببینید.

پس از کار با شبیه‌ساز به سوالات زیر پاسخ دهید:

وقتی یک بار مثبت منفرد را در صفحه قرار می‌دهیم جهت خطوط میدان الکتریکی چگونه است؟ ( در مورد بار منفی هم پاسخ دهید)

۱- در کدام ناحیه اطراف بار، میدان الکتریکی قویتر و در کدام ناحیه ضعیف‌تر است؟

۲- خطوط میدان الکتریکی اطراف دو بار هم‌نام و دو بار ناهم‌نام را رسم کن.

۳- اگر مقدار یکی از بارها دو برابر شود خطوط میدان اطراف آن چگونه تغییر می‌کند؟

۴- به بار مثبت و بار منفی در میدان الکتریکی در چه جهتی نیرو وارد می‌شود؟

۵- با توجه به خطوط میدان ، میدان الکتریکی برایند در هر نقطه از فضا چگونه تعریف می‌شود؟