الكهرباء الساكنةهو فرع من فروع الفيزياء حيث تتم دراسة خصائص وتفاعلات الأجسام المشحونة كهربائيًا أو الجسيمات التي لها شحنة كهربائية ثابتة بالنسبة إلى إطار مرجعي بالقصور الذاتي.
الشحنة الكهربائيةهي كمية فيزيائية تميز خاصية الأجسام أو الجزيئات للدخول في تفاعلات كهرومغناطيسية وتحدد قيم القوى والطاقات خلال هذه التفاعلات. في النظام الدوليالوحدات وحدة الشحنة الكهربائية هي الكولوم (C).
هناك نوعان من الشحنات الكهربائية:
- إيجابي؛
- سلبي.
يكون الجسم متعادلًا كهربائيًا إذا كانت الشحنة الكلية للجسيمات ذات الشحنة السالبة التي يتكون منها الجسم تساوي الشحنة الكلية للجسيمات الموجبة الشحنة.
الناقلات المستقرة للشحنات الكهربائية هي الجسيمات الأوليةوالجسيمات المضادة.
حاملات الشحنة الموجبة هي البروتون والبوزيترون، وحاملات الشحنة السالبة هي الإلكترون والبروتون المضاد.
إجمالي الشحنة الكهربائية للنظام يساوي المجموع الجبري لشحنات الأجسام المتضمنة في النظام، أي:
قانون حفظ الشحنة: في نظام مغلق ومعزول كهربائيًا، تظل الشحنة الكهربائية الإجمالية دون تغيير، بغض النظر عن العمليات التي تحدث داخل النظام.
نظام معزولهو النظام الذي بيئة خارجيةلا تخترق الجسيمات المشحونة كهربائيًا أو أي أجسام حدودها.
قانون حفظ الشحنة- وهذا نتيجة للحفاظ على عدد الجزيئات، وتحدث إعادة توزيع الجزيئات في الفضاء.
الموصلات- هذه أجسام ذات شحنات كهربائية يمكنها التحرك بحرية لمسافات كبيرة.
أمثلة على الموصلات: المعادن في الحالة الصلبة والسائلة، الغازات المتأينة، محاليل الإلكتروليت.
العوازل- وهي أجسام ذات شحنات لا يمكنها الانتقال من جزء من الجسم إلى جزء آخر، أي الشحنات المقيدة.
أمثلة على المواد العازلة: الكوارتز، العنبر، الإيبونيت، الغازات في الظروف العادية.
كهربة- هذه عملية تكتسب بموجبها الأجسام القدرة على المشاركة في التفاعل الكهرومغناطيسي، أي أنها تكتسب شحنة كهربائية.
كهربة الهيئات- وهي عملية إعادة توزيع الشحنات الكهربائية الموجودة في الأجسام، ونتيجة لذلك تصبح شحنات الأجسام ذات إشارات متضادة.
أنواع الكهرباء:
- الكهرباء بسبب التوصيل الكهربائي. عندما يتلامس جسمان معدنيان أحدهما مشحون والآخر متعادل، ينتقل عدد معين من الإلكترونات الحرة من الجسم المشحون إلى الجسم المتعادل إذا كانت شحنة الجسم سالبة، والعكس إذا كانت شحنة الجسم موجبة .
نتيجة لذلك، في الحالة الأولى، سيحصل الجسم المحايد على شحنة سلبية، في الثانية - إيجابية.
- كهربة عن طريق الاحتكاك. نتيجة تلامس بعض الأجسام المحايدة عن طريق الاحتكاك، تنتقل الإلكترونات من جسم إلى آخر. إن الكهرباء الناتجة عن الاحتكاك هي سبب الكهرباء الساكنة، والتي يمكن ملاحظة تفريغها، على سبيل المثال، إذا قمت بتمشيط شعرك بمشط بلاستيكي أو خلع قميص أو سترة صناعية.
- كهربة من خلال التأثيريحدث إذا تم إحضار جسم مشحون إلى نهاية قضيب معدني محايد، ويحدث فيه انتهاك للتوزيع الموحد للشحنات الموجبة والسالبة. يحدث توزيعها بطريقة غريبة: تظهر شحنة سالبة زائدة في أحد أجزاء القضيب وشحنة موجبة في الجزء الآخر. تسمى هذه الشحنات المستحثة، ويتم تفسير حدوثها من خلال حركة الإلكترونات الحرة في المعدن تحت تأثير المجال الكهربائي لجسم مشحون يتم جلبه إليه.
تهمة نقطة- هذا جسم مشحون يمكن إهمال أبعاده في ظل ظروف معينة.
تهمة نقطةهي نقطة مادية لها شحنة كهربائية.
تتفاعل الأجسام المشحونة مع بعضها البعض بالطريقة التالية: الأجسام المشحونة بشكل معاكس تتجاذب، والأجسام المشحونة بشكل مماثل تتنافر.
قانون كولوم: قوة التفاعل بين شحنتين نقطيتين ثابتتين q1 و q2 في الفراغ تتناسب طرديًا مع حاصل ضرب مقادير الشحنات وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما:
الخاصية الرئيسية للمجال الكهربائي- وهو أن المجال الكهربائي يؤثر على الشحنات الكهربائية بشيء من القوة. المجال الكهربائي هو حالة خاصة من المجال الكهرومغناطيسي.
المجال الكهروستاتيكيهو المجال الكهربائي للشحنات الثابتة. شدة المجال الكهربائي هي كمية متجهة تميز المجال الكهربائي عند نقطة معينة. يتم تحديد شدة المجال عند نقطة معينة بنسبة القوة المؤثرة على شحنة نقطية موضوعة عند نقطة معينة في المجال إلى مقدار هذه الشحنة:
توتر- هذه هي القوة المميزة للمجال الكهربائي؛ يسمح لك بحساب القوة المؤثرة على هذه الشحنة: F = qE.
في النظام الدولي للوحدات، وحدة الجهد هي فولت لكل متر، وخطوط الجهد هي خطوط وهمية مطلوبة لاستخدام تمثيل رسومي للمجال الكهربائي. يتم رسم خطوط التوتر بحيث تتوافق مماساتها عند كل نقطة في الفضاء مع اتجاه متجه شدة المجال عند نقطة معينة.
مبدأ تراكب المجال: شدة المجال من عدة مصادر تساوي المجموع المتجه لشدة المجال لكل منها.
ثنائي القطب الكهربائي- هذه مجموعة من شحنتين متساويتين في معامل الشحنتين المتقابلتين (+q و –q)، وتقعان على مسافة معينة من بعضهما البعض.
عزم ثنائي القطب (كهربائي).هي كمية فيزيائية متجهة وهي السمة الرئيسية لثنائي القطب.
في النظام الدولي للوحدات، وحدة عزم ثنائي القطب هي متر الكولوم (C/m).
أنواع العوازل:
- القطبيةوالتي تشمل الجزيئات التي لا تتطابق فيها مراكز توزيع الشحنات الموجبة والسالبة (ثنائيات القطب الكهربائي).
- الغير قطبيفي الجزيئات والذرات التي تتطابق مراكز توزيع الشحنات الموجبة والسالبة.
الاستقطابهي عملية تحدث عندما يتم وضع العوازل في مجال كهربائي.
استقطاب العوازلهي عملية إزاحة الشحنات الموجبة والسالبة المرتبطة بالعازل الكهربائي في اتجاهين متعاكسين تحت تأثير مجال كهربائي خارجي.
ثابت العزل الكهربائيهي كمية فيزيائية تميز الخواص الكهربائية للعازل الكهربائي ويتم تحديدها بنسبة معامل شدة المجال الكهربائي في الفراغ إلى معامل شدة هذا المجال داخل عازل متجانس.
ثابت العزل الكهربائي هو كمية بلا أبعاد ويتم التعبير عنها بوحدات بلا أبعاد.
متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف- هذه مجموعة من العوازل البلورية التي لا تحتوي على مجال كهربائي خارجي وبدلاً من ذلك يحدث اتجاه تلقائي لعزوم ثنائي القطب للجزيئات.
تأثير كهرضغطية- وهو تأثير أثناء التشوهات الميكانيكية لبعض البلورات في اتجاهات معينة، حيث تظهر على وجوهها شحنات كهربائية من أنواع متضادة.
إمكانات المجال الكهربائي. القدرة الكهربائية
إمكانات الكهرباء الساكنةهي كمية فيزيائية تميز المجال الكهروستاتيكي عند نقطة معينة، ويتم تحديدها بنسبة الطاقة الكامنة لتفاعل الشحنة مع المجال إلى قيمة الشحنة الموضوعة عند نقطة معينة في المجال: 
وحدة القياس في النظام الدولي للوحدات هي الفولت (V).
يتم تحديد الإمكانات الميدانية لشحنة نقطية بواسطة: 
في ظل الظروف إذا كان q > 0، ثم k > 0؛ إذا س
مبدأ تراكب المجال للجهد: إذا تم إنشاء مجال كهروستاتيكي بواسطة عدة مصادر، فإن جهده عند نقطة معينة في الفضاء يتم تعريفه على أنه مجموع جبري للجهد:
فرق الجهد بين نقطتين للمجال الكهربائي هو كمية فيزيائية تحددها نسبة عمل القوى الكهروستاتيكية لتحريك شحنة موجبة من نقطة البداية إلى النقطة النهائية لهذه الشحنة: 
السطوح متساوية الجهد- هذه هي المنطقة الهندسية لنقاط المجال الكهروستاتيكي حيث تكون القيم المحتملة هي نفسها.
القدرة الكهربائيةهي كمية فيزيائية تميز الخواص الكهربائية للموصل، وهي مقياس كمي لقدرته على حمل شحنة كهربائية.
يتم تحديد السعة الكهربائية للموصل المعزول بنسبة شحنة الموصل إلى جهده، وسنفترض أن جهد المجال للموصل يساوي الصفر عند النقطة عند اللانهاية:
قانون أوم
قسم سلسلة متجانسة- هذا جزء من الدائرة لا يوجد به مصدر تيار. سيتم تحديد الجهد في مثل هذا القسم من خلال فرق الجهد عند طرفيه، أي: 
في عام 1826، اكتشف العالم الألماني ج. أوم قانونًا يحدد العلاقة بين شدة التيار في قسم متجانس من الدائرة والجهد عبرها: تتناسب قوة التيار في الموصل بشكل مباشر مع الجهد عبره. حيث G هو معامل التناسب والذي يسمى في هذا القانون الموصلية الكهربائية أو موصلية الموصل والتي يتم تحديدها بالصيغة.
الموصليةهي كمية فيزيائية معكوسة لمقاومتها.
في النظام الدولي للوحدات، وحدة التوصيل الكهربائي هي سيمنز (سم).
المعنى المادي لشركة سيمنز: 1 سم هي موصلية موصل بمقاومة 1 أوم.
للحصول على قانون أوم لقسم من الدائرة، من الضروري استبدال المقاومة R في الصيغة المذكورة أعلاه بدلاً من التوصيل الكهربائي، ثم:
قانون أوم لقسم الدائرة: تتناسب شدة التيار في قسم من الدائرة بشكل مباشر مع الجهد عبرها ويتناسب عكسيا مع مقاومة قسم من الدائرة.
قانون أوم للدائرة الكاملة: القوة الحالية في دائرة مغلقة غير متفرعة، بما في ذلك مصدر التيار، تتناسب طرديا مع القوة الدافعة الكهربائية لهذا المصدر وتتناسب عكسيا مع مجموع المقاومات الخارجية والداخلية لهذه الدائرة:
قواعد التوقيع:
- إذا كان التيار داخل المصدر يذهب في اتجاه الالتفافية عند تجاوز الدائرة في الاتجاه المحدد، فإن المجال الكهرومغناطيسي لهذا المصدر يعتبر موجبًا.
- إذا، عند تجاوز الدائرة في الاتجاه المحدد، يتدفق التيار داخل المصدر في الاتجاه المعاكس، فإن القوة الدافعة الكهربية لهذا المصدر تعتبر سلبية.
القوة الدافعة الكهربائية (EMF)هي كمية فيزيائية تميز عمل القوى الخارجية في المصادر الحالية، وهي إحدى خصائص الطاقة للمصدر الحالي. بالنسبة للحلقة المغلقة، يتم تعريف المجالات الكهرومغناطيسية على أنها نسبة الشغل الذي تبذله القوى الخارجية لتحريك شحنة موجبة على طول حلقة مغلقة إلى هذه الشحنة: 
في النظام الدولي للوحدات، وحدة EMF هي الفولت. عندما تكون الدائرة مفتوحة، فإن القوة الدافعة الكهربية للمصدر الحالي تساوي الجهد الكهربائي عند أطرافها.
قانون جول لينز: يتم تحديد كمية الحرارة المتولدة بواسطة موصل يحمل تيارًا من خلال حاصل ضرب مربع التيار ومقاومة الموصل والوقت الذي يمر فيه التيار عبر الموصل: 
عند تحريك المجال الكهربائي لشحنة على طول جزء من الدائرة، فإنه يبذل شغلًا يتحدد بواسطة حاصل ضرب الشحنة والجهد عند طرفي هذا القسم من الدائرة:
قوة العاصمةهي كمية فيزيائية تميز معدل الشغل الذي يبذله المجال لتحريك الجسيمات المشحونة على طول الموصل ويتم تحديدها بنسبة الشغل الذي يبذله التيار مع مرور الوقت إلى هذه الفترة الزمنية: 
قواعد كيرشوف، والتي تستخدم لحساب دوائر التيار المستمر المتفرعة ، والتي يتمثل جوهرها في العثور على المقاومة المحددة لأقسام الدائرة والمجال الكهرومغناطيسي المطبق عليها ، ونقاط القوة الحالية في كل قسم.
القاعدة الأولى هي قاعدة العقدة: المجموع الجبري للتيارات المتقاربة عند العقدة هو النقطة التي يوجد عندها أكثر من اتجاهين محتملين للتيار، وهي تساوي صفرًا
القاعدة الثانية هي قاعدة الخطوط: في أي دائرة مغلقة، في دائرة كهربائية متفرعة، يتم تحديد المجموع الجبري لمنتجات شدة التيار ومقاومة الأقسام المقابلة لهذه الدائرة من خلال المجموع الجبري للقوة الدافعة الكهربية المطبقة في هو - هي: 
مجال مغناطيسي- وهذا أحد أشكال تجليات المجال الكهرومغناطيسي، وخصوصيته أن هذا المجال يؤثر فقط على الجزيئات والأجسام المتحركة ذات الشحنة الكهربائية، وكذلك الأجسام الممغنطة، بغض النظر عن حالة حركتها.
ناقلات الحث المغناطيسيهي كمية متجهة تميز المجال المغناطيسي في أي نقطة في الفضاء، وتحدد نسبة القوة المؤثرة من المجال المغناطيسي على عنصر موصل ذو تيار كهربائي إلى حاصل ضرب قوة التيار وطول عنصر الموصل، يساوي معامل نسبة التدفق المغناطيسي عبر المقطع العرضي للمنطقة إلى مساحة هذا المقطع العرضي.
في النظام الدولي للوحدات، وحدة الحث هي تسلا (T).
الدائرة المغناطيسيةهي مجموعة من الأجسام أو مناطق الفضاء التي يتركز فيها المجال المغناطيسي.
التدفق المغناطيسي (التدفق الحث المغناطيسي)هي كمية فيزيائية يتم تحديدها بواسطة حاصل ضرب حجم متجه الحث المغناطيسي بمساحة السطح المسطح وجيب تمام الزاوية بين المتجهات العادية إلى السطح المسطح / الزاوية بين المتجه العادي و اتجاه ناقل الحث.
في النظام الدولي للوحدات، وحدة التدفق المغناطيسي هي ويبر (Wb).
نظرية أوستروغرادسكي غاوسلتدفق الحث المغناطيسي: التدفق المغناطيسي عبر سطح مغلق تعسفي هو صفر:
قانون أوم للدائرة المغناطيسية المغلقة: 
النفاذية المغناطيسيةهي كمية فيزيائية تميز الخواص المغناطيسية للمادة، والتي يتم تحديدها بنسبة معامل ناقل الحث المغناطيسي في الوسط إلى معامل ناقل الحث عند نفس النقطة في الفضاء في الفراغ:
قوة المجال المغناطيسيهي كمية متجهة تحدد وتميز المجال المغناطيسي وتساوي: 
قوة أمبير- هذه هي القوة التي تؤثر من المجال المغناطيسي على موصل يحمل تيارًا. يتم تحديد قوة الأمبير الأولية بالعلاقة:
قانون أمبير: معامل القوة المؤثرة على جزء صغير من الموصل الذي يتدفق من خلاله التيار من جانب مجال مغناطيسي منتظم مع الحث مما يشكل زاوية مع العنصر
مبدأ التراكب: عندما تشكل مصادر متنوعة عند نقطة معينة في الفضاء مجالات مغناطيسية، تكون تحريضاتها B1، B2، ..، فإن تحريض المجال الناتج عند هذه النقطة يساوي: 
قاعدة الثقب أو قاعدة المسمار الصحيح:إذا كان اتجاه الحركة الانتقالية لطرف المثقاب عند الشد يتزامن مع اتجاه التيار في الفضاء، فإن اتجاه الحركة الدورانية للمثقاب عند كل نقطة يتزامن مع اتجاه ناقل الحث المغناطيسي.
قانون بيوت-سافارت-لابلاس:يحدد حجم واتجاه ناقل الحث المغناطيسي في أي نقطة من المجال المغناطيسي الناتج في الفراغ بواسطة عنصر موصل بطول معين مع التيار: 
حركة الجسيمات المشحونة في المجالات الكهربائية والمغناطيسية قوة لورنتز هي القوة المؤثرة على جسيم متحرك من المجال المغناطيسي: 
حكم اليد اليسرى:
- من الضروري وضع اليد اليسرى بحيث تدخل خطوط الحث المغناطيسي إلى راحة اليد، وتكون الأصابع الأربعة الممتدة محاذية للتيار، ثم تنحني بزاوية 90 درجة. إبهامسيشير إلى اتجاه قوة أمبير.
- ومن الضروري وضع اليد اليسرى بحيث تدخل خطوط الحث المغناطيسي في راحة اليد، وتتوافق الأصابع الأربعة الممتدة مع اتجاه سرعة الجسيم مع الشحنة الموجبة للجسيم أو يتم توجيهها في الاتجاه المعاكس لسرعة الجسيم. الجسيم ذو الشحنة السالبة للجسيم، ثم سيظهر الإبهام المنحني بزاوية 90 درجة اتجاه قوة لورنتز التي تعمل على الجسيم المشحون.
إذا كان هناك عمل مشترك على شحنة متحركة من المجالات الكهربائية والمغناطيسية، فسيتم تحديد القوة الناتجة من خلال: 
مطياف الكتلة ومطياف الكتلة- هذه أدوات مصممة خصيصًا لإجراء قياسات دقيقة للنسبية الكتل الذريةعناصر.
قانون فاراداي. حكم لينز
الحث الكهرومغناطيسي- هذه ظاهرة تتمثل في حدوث قوة دافعة مستحثة في دائرة موصلة تقع في مجال مغناطيسي متناوب.
قانون فاراداي: إن الحث الكهرومغناطيسي emf في الدائرة يساوي عدديا ومعاكسا في الإشارة لمعدل تغير التدفق المغناطيسي F عبر السطح الذي تحده هذه الدائرة: 
التيار التعريفي- هذا هو التيار الذي يتشكل إذا بدأت الشحنات في التحرك تحت تأثير قوى لورنتز.
حكم لينز: إن التيار المستحث الذي يظهر في دائرة مغلقة دائمًا ما يكون له اتجاه بحيث يميل التدفق المغناطيسي الذي يخلقه عبر المنطقة المحددة بالدائرة إلى تعويض التغير في المجال المغناطيسي الخارجي الذي تسبب في هذا التيار.
الإجراء الخاص باستخدام قاعدة لينز لتحديد اتجاه التيار التعريفي:
مجال دوامة- هذا هو المجال الذي تكون فيه خطوط التوتر خطوط مغلقة وسببها هو توليد مجال كهربائي بواسطة مجال مغناطيسي.
إن عمل المجال الكهربائي الدوامي عند تحريك شحنة موجبة واحدة على طول موصل ثابت مغلق يساوي عدديًا القوة الدافعة الكهربية المستحثة في هذا الموصل.
توكي فوكو- هذه تيارات تحريضية كبيرة تظهر في الموصلات الضخمة بسبب انخفاض مقاومتها. تتناسب كمية الحرارة المنبعثة لكل وحدة زمنية بواسطة التيارات الدوامة بشكل مباشر مع مربع تردد تغير المجال المغناطيسي.
الحث الذاتي. الحث
الحث الذاتي- هذه ظاهرة تتمثل في حقيقة أن المجال المغناطيسي المتغير يستحث قوة دافعة كهربية في نفس الموصل الذي يتدفق من خلاله التيار ويشكل هذا المجال.
يتم تحديد التدفق المغناطيسي Ф لدائرة ذات تيار I:
Ф = L، حيث L هو معامل الحث الذاتي (الحث الحالي).
الحث- هذه كمية فيزيائية هي إحدى خصائص القوة الدافعة الكهربية ذاتية الحث التي تظهر في الدائرة عندما تتغير شدة التيار، وتتحدد بنسبة التدفق المغناطيسي عبر السطح الذي يحده الموصل إلى قوة التيار المباشر في الدائرة :
في النظام الدولي للوحدات، وحدة الحث هي هنري (H).
يتم تحديد emf الحث الذاتي بواسطة: 
يتم تحديد طاقة المجال المغناطيسي بواسطة:
يتم تحديد كثافة الطاقة الحجمية للمجال المغناطيسي في وسط متناحي وغير مغنطيسي بواسطة: 
... جميع التنبؤات بالكهرباء الساكنة تنبع من قانونين لها.
لكن التعبير عن هذه الأشياء رياضيًا شيء، والتعبير عنها شيء آخر تمامًا
قم بتطبيقها بسهولة وبالقدر المناسب من الذكاء.
ريتشارد فاينمان
تدرس الكهرباء الساكنة تفاعل الشحنات الثابتة. تم إجراء التجارب الرئيسية في مجال الكهرباء الساكنة في القرنين السابع عشر والثامن عشر. مع اكتشاف الظواهر الكهرومغناطيسية والثورة في التكنولوجيا التي أنتجتها، فقد الاهتمام بالكهرباء الساكنة لبعض الوقت. ومع ذلك، فإن الأبحاث العلمية الحديثة تظهر الأهمية الهائلة للكهرباء الساكنة لفهم العديد من العمليات في الطبيعة الحية وغير الحية.
الكهرباء الساكنة والحياة
في عام 1953، أظهر العلماء الأمريكيون S. Miller وG. Urey أنه يمكن الحصول على إحدى "اللبنات الأساسية للحياة" - الأحماض الأمينية - عن طريق تمرير تفريغ كهربائي عبر غاز مشابه في تركيبه للغلاف الجوي البدائي للأرض، ويتكون من الميثان والأمونيا والهيدروجين وبخار الماء. وعلى مدار الخمسين عامًا التالية، كرر باحثون آخرون هذه التجارب وحصلوا على نفس النتائج. عندما يتم تمرير نبضات تيار قصيرة عبر البكتيريا، تظهر المسام في غلافها (الغشاء)، والتي يمكن من خلالها مرور أجزاء الحمض النووي للبكتيريا الأخرى، مما يؤدي إلى إحدى آليات التطور. وبالتالي، فإن الطاقة اللازمة لنشوء الحياة على الأرض وتطورها يمكن أن تكون بالفعل الطاقة الكهروستاتيكية الناتجة عن تفريغات البرق (الشكل 1).
كيف تسبب الكهرباء الساكنة البرق
في أي وقت من الأوقات، هناك حوالي 2000 ومضة برق في نقاط مختلفة على الأرض، وحوالي 50 برق يضرب الأرض كل ثانية، وكل كيلومتر مربع من سطح الأرض يضربه البرق في المتوسط ست مرات في السنة. في القرن الثامن عشر، أثبت بنجامين فرانكلين أن البرق الذي يضرب السحب الرعدية هو عبارة عن تفريغات كهربائية تحمل سلبيتكلفة. علاوة على ذلك، فإن كل من التصريفات تزود الأرض بعدة عشرات من الكولومات من الكهرباء، ويتراوح اتساع التيار أثناء ضربة البرق من 20 إلى 100 كيلو أمبير. أظهر التصوير الفوتوغرافي عالي السرعة أن ضربة البرق لا تدوم سوى أعشار الثانية وأن كل برق يتكون من عدة برق أقصر.
باستخدام أدوات القياستم تركيبها على مجسات الغلاف الجوي، في بداية القرن العشرين، تم قياس المجال الكهربائي للأرض، وتبين أن شدته على السطح تبلغ حوالي 100 فولت / م، وهو ما يتوافق مع الشحن الإجمالي للكوكب الذي يبلغ حوالي 400000 درجة مئوية. . حاملة الشحنات في الغلاف الجوي للأرض هي الأيونات، التي يزداد تركيزها مع الارتفاع ويصل إلى الحد الأقصى على ارتفاع 50 كم، حيث تشكلت طبقة موصلة للكهرباء تحت تأثير الإشعاع الكوني - الغلاف الأيوني. لذلك، يمكننا القول أن المجال الكهربائي للأرض هو مجال مكثف كروي بجهد مطبق يبلغ حوالي 400 كيلو فولت. تحت تأثير هذا الجهد، يتدفق تيار قدره 2-4 كيلو أمبير طوال الوقت من الطبقات العليا إلى الطبقات السفلية، والتي تبلغ كثافتها (1-2) 10 –12 أمبير/م2، ويتم إطلاق الطاقة لأعلى إلى 1.5 جيجاوات. ولو لم يكن هناك برق لاختفي هذا المجال الكهربائي! اتضح أنه في الطقس الجيد يتم تفريغ المكثف الكهربائي للأرض، ويتم شحنه أثناء العاصفة الرعدية.
السحابة الرعدية عبارة عن كمية هائلة من البخار، يتكثف بعضها إلى قطرات صغيرة أو طوافات من الجليد. يمكن أن يكون الجزء العلوي من السحابة الرعدية على ارتفاع 6-7 كم، والجزء السفلي يمكن أن يتدلى فوق سطح الأرض على ارتفاع 0.5-1 كم. فوق 3-4 كيلومترات، تتكون السحب من طوافات جليدية بأحجام مختلفة، حيث تكون درجة الحرارة هناك دائمًا أقل من الصفر. وهذه القطع من الجليد في حركة مستمرة، ناجمة عن تيارات الهواء الدافئ الصاعدة من الأسفل من سطح الأرض الساخن. القطع الصغيرة من الجليد أخف من الكبيرة، وتحملها تيارات الهواء الصاعدة وتصطدم بتيارات كبيرة على طول الطريق. مع كل تصادم من هذا القبيل، تحدث كهربة، حيث يتم شحن قطع كبيرة من الجليد سلبا، والصغيرة - بشكل إيجابي. بمرور الوقت، تتجمع قطع الجليد الصغيرة المشحونة بشكل إيجابي بشكل رئيسي في الجزء العلوي من السحابة، والقطع الكبيرة المشحونة سالبًا - في الجزء السفلي (الشكل 2). وبعبارة أخرى، فإن الجزء العلوي من السحابة مشحون بشكل إيجابي، والأسفل - سلبيا. في هذه الحالة، يتم تحفيز الشحنات الموجبة على الأرض مباشرة أسفل السحابة الرعدية. الآن كل شيء جاهز لتفريغ البرق، حيث يحدث انهيار الهواء وتتدفق الشحنة السلبية من أسفل السحابة الرعدية إلى الأرض.
ومن المعتاد أنه قبل حدوث عاصفة رعدية، يمكن أن تصل قوة المجال الكهربائي للأرض إلى 100 كيلو فولت/م، أي أعلى بـ 1000 مرة من قيمته في الطقس الجيد. ونتيجة لذلك، فإن الشحنة الموجبة لكل شعر على رأس الشخص الذي يقف تحت سحابة رعدية تزداد بنفس المقدار، ويبتعدون عن بعضهم البعض، ويقفون على النهاية (الشكل 3).
فولجوريت - أثر البرق على الأرض
أثناء تفريغ البرق، تنطلق طاقة في حدود 10 9 – 10 10 جول، وتنفق معظم هذه الطاقة على الرعد وتسخين الهواء وومض الضوء وانبعاث موجات كهرومغناطيسية أخرى، ولا ينطلق سوى جزء صغير منها في المكان الذي يدخل فيه البرق الأرض. ولكن حتى هذا الجزء "الصغير" يكفي لإشعال حريق أو قتل شخص أو تدمير مبنى. ويمكن للبرق أن يسخن القناة التي يتحرك من خلالها إلى 30 ألف درجة مئوية، وهي أعلى بكثير من نقطة انصهار الرمال (1600-2000 درجة مئوية). لذلك فإن البرق يضرب الرمال ويذيبها، ويتوسع الهواء الساخن وبخار الماء ويشكل أنبوبًا من الرمال المنصهرة، والتي تتصلب بعد مرور بعض الوقت. هكذا تولد الصواعق (سهام الرعد وأصابع الشيطان) - أسطوانات مجوفة مصنوعة من الرمل الذائب (الشكل 4). أطول فولغوريت تم حفره ذهب تحت الأرض إلى عمق يزيد عن خمسة أمتار.
كيف تحمي الكهرباء الساكنة من البرق
ولحسن الحظ، فإن معظم ضربات البرق تحدث بين السحب، وبالتالي لا تشكل خطراً على صحة الإنسان. ومع ذلك، يُعتقد أن البرق يقتل أكثر من ألف شخص حول العالم كل عام. على الأقل في الولايات المتحدة، حيث يتم الاحتفاظ بهذه الإحصائيات، يعاني حوالي ألف شخص من الصواعق كل عام ويموت أكثر من مائة منهم. لقد حاول العلماء منذ فترة طويلة حماية الناس من "عقاب الله". على سبيل المثال، دافع مخترع أول مكثف كهربائي (جرة ليدن)، بيتر فان موشنبروك، في مقال عن الكهرباء كتب للموسوعة الفرنسية الشهيرة، عن الأساليب التقليدية لمنع البرق - رنين الأجراس وإطلاق المدافع، التي كان يعتقد أنها فعالة للغاية .
في عام 1750، اخترع فرانكلين مانعة الصواعق. وفي محاولة لحماية مبنى الكابيتول بولاية ماريلاند من ضربة صاعقة، قام بربط قضيب حديدي سميك بالمبنى، يمتد عدة أمتار فوق القبة ومتصل بالأرض. رفض العالم تسجيل براءة اختراعه، وأراد أن يبدأ في خدمة الناس في أسرع وقت ممكن. من السهل شرح آلية عمل مانعة الصواعق إذا تذكرنا أن شدة المجال الكهربائي بالقرب من سطح موصل مشحون تزداد مع زيادة انحناء هذا السطح. لذلك، تحت سحابة رعدية بالقرب من طرف مانعة الصواعق، ستكون شدة المجال عالية جدًا لدرجة أنها ستتسبب في تأين الهواء المحيط وتفريغ الإكليل فيه. ونتيجة لذلك، فإن احتمالية إصابة البرق بقضيب الصواعق ستزداد بشكل كبير. وبالتالي، فإن معرفة الكهرباء الساكنة لم تجعل من الممكن تفسير أصل البرق فحسب، بل أتاحت أيضًا إيجاد طريقة للحماية منها.
وسرعان ما انتشرت أخبار مانعة الصواعق التي أطلقها فرانكلين في جميع أنحاء أوروبا، وتم انتخابه لجميع الأكاديميات، بما في ذلك الأكاديمية الروسية. ومع ذلك، في بعض البلدان، استقبل السكان المتدينون هذا الاختراع بالسخط. إن فكرة أن الإنسان يستطيع بسهولة وببساطة ترويض السلاح الرئيسي لغضب الله تبدو فكرة تجديف. لذلك، في أماكن مختلفة، كسر الناس مانعات الصواعق لأسباب تقية.
وقعت حادثة غريبة في عام 1780 في إحدى البلدات الصغيرة في شمال فرنسا، حيث طالب سكان البلدة بهدم الصاري الحديدي لمنع الصواعق ووصل الأمر إلى حد الانهيار. المحاكمة القضائية. المحامي الشاب، الذي دافع عن مانعة الصواعق من هجمات الظلاميين، بنى دفاعه على حقيقة أن العقل البشري وقدرته على التغلب على قوى الطبيعة من أصل إلهي. وقال المحامي الشاب إن كل ما يساعد على إنقاذ حياة هو للخير. فاز بالقضية ونال شهرة كبيرة. كان اسم المحامي ماكسيميليان روبسبير.
حسنًا، أصبحت الآن صورة مخترع مانعة الصواعق هي النسخة الأكثر رواجًا في العالم، لأنها تزين الورقة النقدية الشهيرة بقيمة مائة دولار.
الكهرباء الساكنة تعيد الحياة
إن الطاقة الناتجة عن تفريغ المكثف لم تؤد إلى ظهور الحياة على الأرض فحسب، بل يمكنها أيضًا إعادة الحياة للأشخاص الذين توقفت خلايا قلوبهم عن النبض بشكل متزامن. يسمى الانقباض غير المتزامن (الفوضوي) لخلايا القلب بالرجفان. يمكن إيقاف رجفان القلب عن طريق تمرير نبضة قصيرة من التيار عبر جميع خلاياه. للقيام بذلك، يتم تطبيق قطبين كهربائيين على صدر المريض، حيث يتم تمرير النبض لمدة حوالي عشرة مللي ثانية وسعة تصل إلى عدة عشرات من الأمبيرات. في هذه الحالة، يمكن أن تصل طاقة التفريغ عبر الصدر إلى 400 جول (وهو ما يعادل الطاقة الكامنة لوزن رطل مرفوع إلى ارتفاع 2.5 متر). يُطلق على الجهاز الذي يوفر صدمة كهربائية توقف رجفان القلب اسم مزيل الرجفان. أبسط مزيل الرجفان عبارة عن دائرة متذبذبة تتكون من مكثف بسعة 20 ميكروفاراد وملف بمحاثة تبلغ 0.4 ساعة. من خلال شحن المكثف بجهد 1-6 كيلو فولت وتفريغه من خلال الملف والمريض، الذي تبلغ مقاومته حوالي 50 أوم، يمكنك الحصول على النبض الحالي اللازم لإعادة المريض إلى الحياة.
الكهرباء الساكنة تعطي الضوء
يمكن أن يكون مصباح الفلورسنت بمثابة مؤشر مناسب لقوة المجال الكهربائي. للتحقق من ذلك، أثناء وجودك في غرفة مظلمة، افرك المصباح بمنشفة أو وشاح - ونتيجة لذلك، سيتم شحن السطح الخارجي لزجاج المصباح بشكل إيجابي، والنسيج - سلبيًا. وبمجرد حدوث ذلك، سوف نرى ومضات من الضوء تظهر في تلك الأماكن من المصباح التي نلمسها بقطعة قماش مشحونة. أظهرت القياسات أن شدة المجال الكهربائي داخل مصباح الفلورسنت العامل تبلغ حوالي 10 V/m. عند هذه الكثافة، تمتلك الإلكترونات الحرة الطاقة اللازمة لتأين ذرات الزئبق داخل مصباح الفلورسنت.
يمكن أن يصل المجال الكهربائي تحت خطوط الكهرباء ذات الجهد العالي - خطوط الكهرباء - إلى قيم عالية جدًا. لذلك، إذا كان مصباح الفلورسنت عالقا في الأرض تحت خط الكهرباء في الليل، فسوف يضيء، ومشرق للغاية (الشكل 5). لذلك، باستخدام طاقة المجال الكهروستاتيكي، يمكنك إضاءة المساحة تحت خطوط الكهرباء.
كيف تحذر الكهرباء الساكنة من الحريق وتجعل الدخان أكثر نظافة
في معظم الحالات، عند اختيار نوع الكاشف إنذار حريقيتم إعطاء الأفضلية لجهاز كشف الدخان، حيث أن الحريق عادة ما يكون مصحوبًا بإطلاق كمية كبيرة من الدخان وهذا النوع من الكاشف هو القادر على تحذير الأشخاص في المبنى من الخطر. تستخدم أجهزة كشف الدخان مبدأ التأين أو الكهروضوئية للكشف عن الدخان في الهواء.
تحتوي كاشفات دخان التأين على مصدر إشعاع ألفا (عادة الأمريسيوم-241) الذي يؤين الهواء بين ألواح الأقطاب الكهربائية المعدنية، المقاومة الكهربائيةوالتي يتم قياسها باستمرار باستخدام دائرة خاصة. توفر الأيونات المتكونة نتيجة إشعاع ألفا التوصيل بين الأقطاب الكهربائية، كما ترتبط جزيئات الدخان الدقيقة التي تظهر هناك بالأيونات، وتحييد شحنتها وبالتالي زيادة المقاومة بين الأقطاب الكهربائية، والتي تتفاعل معها الدائرة الكهربائية بإطلاق إنذار . تُظهر المستشعرات المبنية على هذا المبدأ حساسية مذهلة للغاية، وتتفاعل حتى قبل اكتشاف أول علامة للدخان بواسطة كائن حي. تجدر الإشارة إلى أن مصدر الإشعاع المستخدم في المستشعر لا يشكل أي خطر على البشر، حيث أن أشعة ألفا لا يمكنها المرور حتى عبر قطعة من الورق ويتم امتصاصها بالكامل بواسطة طبقة من الهواء يبلغ سمكها عدة سنتيمترات.
تُستخدم قدرة جزيئات الغبار على الكهرباء على نطاق واسع في مجمعات الغبار الصناعية الكهروستاتيكية. يمر الغاز الذي يحتوي، على سبيل المثال، جزيئات السخام، التي ترتفع، عبر شبكة معدنية سالبة الشحنة، ونتيجة لذلك تكتسب هذه الجزيئات شحنة سالبة. مع الاستمرار في الارتفاع، تجد الجزيئات نفسها في المجال الكهربائي للألواح المشحونة بشكل إيجابي، والتي تنجذب إليها، وبعد ذلك تقع الجزيئات في حاويات خاصة، حيث تتم إزالتها بشكل دوري.
الكهرباء الحيوية
أحد أسباب الربو هو فضلات عث الغبار (الشكل 6) - حشرات يبلغ حجمها حوالي 0.5 ملم تعيش في منزلنا. وقد أظهرت الأبحاث أن نوبات الربو تنتج عن أحد البروتينات التي تفرزها هذه الحشرات. يشبه هيكل هذا البروتين حدوة الحصان، وكلا طرفيه مشحونان بشحنة موجبة. إن القوى التنافرية الكهروستاتيكية بين نهايات هذا البروتين على شكل حدوة الحصان تجعل بنيته مستقرة. ومع ذلك، يمكن تغيير خصائص البروتين عن طريق تحييد شحناته الإيجابية. يمكن القيام بذلك عن طريق زيادة تركيز الأيونات السالبة في الهواء باستخدام أي مؤين، على سبيل المثال، ثريا تشيزيفسكي (الشكل 7). في الوقت نفسه، ينخفض \u200b\u200bتكرار نوبات الربو.
لا تساعد الكهرباء الساكنة على تحييد البروتينات التي تفرزها الحشرات فحسب، بل تساعد أيضًا في الإمساك بها بنفسها. لقد قيل بالفعل أن الشعر "يقف على نهايته" إذا تم شحنه. يمكنك أن تتخيل ما تشعر به الحشرات عندما تجد نفسها مشحونة كهربائيًا. تتباعد أنحف الشعيرات الموجودة على أرجلها في اتجاهات مختلفة، وتفقد الحشرات قدرتها على الحركة. تعتمد مصيدة الصراصير الموضحة في الشكل 8 على هذا المبدأ، إذ تنجذب الصراصير إلى المسحوق الحلو الذي كان مشحونًا بالكهرباء الساكنة في السابق. يستخدم المسحوق (وهو أبيض في الصورة) لتغطية السطح المائل حول المصيدة. بمجرد وصولها إلى المسحوق، تصبح الحشرات مشحونة وتتدحرج في الفخ.
ما هي العوامل الاستاتيكية؟
يتم شحن الملابس والسجاد والمفارش وما إلى ذلك بعد ملامستها لأشياء أخرى، وأحيانًا ببساطة عن طريق نفاثات الهواء. في الحياة اليومية وفي العمل، غالبًا ما تسمى الشحنات المتولدة بهذه الطريقة بالكهرباء الساكنة.
في ظل الظروف الجوية العادية، تمتص الألياف الطبيعية (القطن والصوف والحرير والفسكوز) الرطوبة جيدًا (محبة للماء) وبالتالي توصل الكهرباء قليلاً. وعندما تلامس هذه الألياف مواد أخرى أو تحتك بها، تظهر شحنات كهربائية زائدة على أسطحها، ولكن لفترة قصيرة جدًا، حيث تتدفق الشحنات على الفور عبر ألياف النسيج الرطبة التي تحتوي على أيونات مختلفة.
على عكس الألياف الطبيعية، فإن الألياف الاصطناعية (البوليستر، الأكريليك، البولي بروبيلين) لا تمتص الرطوبة جيدًا (كارهة للماء)، ويوجد عدد أقل من الأيونات المتحركة على أسطحها. عندما تتلامس المواد الاصطناعية مع بعضها البعض، يتم شحنها بشحنات متعاكسة، ولكن بما أن هذه الشحنات تستنزف ببطء شديد، فإن المواد تلتصق ببعضها البعض، مما يسبب الإزعاج والانزعاج. بالمناسبة، الشعر قريب جدًا من حيث البنية من الألياف الاصطناعية وهو أيضًا كاره للماء، لذلك عندما يتلامس، على سبيل المثال، مع المشط، يصبح مشحونًا بالكهرباء ويبدأ في صد بعضه البعض.
للتخلص من الكهرباء الساكنة، يمكن تشحيم سطح الملابس أو العناصر الأخرى بمادة تحافظ على الرطوبة وبالتالي تزيد من تركيز الأيونات المتنقلة على السطح. بعد هذه المعالجة، ستختفي الشحنة الكهربائية الناتجة بسرعة من سطح الجسم أو يتم توزيعها فوقه. يمكن زيادة محبة السطح للماء عن طريق تشحيمه بمواد خافضة للتوتر السطحي، التي تشبه جزيئاتها جزيئات الصابون - جزء واحد من جزيء طويل جدًا مشحون، والآخر ليس كذلك. تسمى المواد التي تمنع ظهور الكهرباء الساكنة بالعوامل المضادة للكهرباء الساكنة. على سبيل المثال، غبار الفحم العادي أو السخام هو عامل مضاد للكهرباء الساكنة، لذلك، من أجل التخلص من الكهرباء الساكنة، يتم تضمين ما يسمى بالمصباح الأسود في تشريب مواد السجاد والتنجيد. لنفس الأغراض، يتم إضافة ما يصل إلى 3٪ من الألياف الطبيعية وأحيانا خيوط معدنية رقيقة إلى هذه المواد.
التعريف 1
الكهرباء الساكنة هي فرع واسع من الديناميكا الكهربائية يدرس ويصف الأجسام المشحونة كهربائيًا الساكنة في نظام معين.
من الناحية العملية، هناك نوعان من الشحنات الكهروستاتيكية: موجبة (زجاج على حرير) وسالبة (مطاط صلب على صوف). الرسوم الأولية هي الحد الأدنى للرسوم ($e = 1.6 ∙10^( -19)$ C). شحنة أي جسم مادي هي مضاعف لعدد صحيح من الشحنات الأولية: $q = Ne$.
كهربة الأجسام المادية هي إعادة توزيع الشحنة بين الأجسام. طرق الكهربة: اللمس والاحتكاك والتأثير.
قانون الحفاظ على الشحنة الكهربائية الموجبة - في المفهوم المغلق، يظل المجموع الجبري لشحنات جميع الجسيمات الأولية ثابتًا ودون تغيير. $q_1 + q _2 + q _3 + …..+ q_n = const$. تهمة الاختبار في في هذه الحالةيمثل نقطة شحنة موجبة.
قانون كولوم
تم وضع هذا القانون تجريبيا في عام 1785. وفقًا لهذه النظرية، فإن قوة التفاعل بين شحنتين نقطيتين ساكنتين في وسط ما تتناسب دائمًا بشكل مباشر مع حاصل ضرب المعامل الموجب وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة الإجمالية بينهما.
المجال الكهربائي هو نوع فريد من المادة يتفاعل بين الشحنات الكهربائية المستقرة، ويتشكل حول الشحنات، ويؤثر على الشحنات فقط.
هذه العملية من العناصر الثابتة الشبيهة بالنقطة تخضع تمامًا لقانون نيوتن الثالث، وتعتبر نتيجة لتنافر الجسيمات مع بعضها البعض بقوة جذب متساوية لبعضها البعض. تسمى العلاقة بين الشحنات الكهربائية المستقرة في الكهرباء الساكنة بتفاعل كولوم.
قانون كولوم عادل ودقيق تمامًا بالنسبة للأجسام المادية المشحونة والكرات والمجالات المشحونة بشكل موحد. في هذه الحالة، تعتبر المسافات أساسًا معلمات لمراكز الفضاء. في الممارسة هذا القانونويعمل بشكل جيد وسريع إذا كانت أحجام الأجسام المشحونة أقل بكثير من المسافة بينها.
ملاحظة 1
تعمل الموصلات والعوازل الكهربائية أيضًا في المجال الكهربائي.
الأول يمثل المواد التي تحتوي على حاملات شحنة كهرومغناطيسية مجانية. يمكن أن تحدث حرية حركة الإلكترونات داخل الموصل. وتشمل هذه العناصر المحاليل والمعادن ومختلف المنحل بالكهرباء والغازات المثالية والبلازما.
المواد العازلة هي مواد لا يمكن أن تحتوي على ناقلات شحنة كهربائية مجانية. إن الحركة الحرة للإلكترونات داخل العوازل نفسها أمر مستحيل، لأنه لا يوجد تدفق من خلالها. كهرباء. وهذه الجسيمات المادية هي التي لها نفاذية لا تساوي الوحدة العازلة.
خطوط الكهرباء والكهرباء الساكنة
خطوط القوة لشدة المجال الكهربائي الأولية هي خطوط متواصلة، حيث تتطابق نقاط الظل في كل وسط تمر من خلاله تمامًا مع محور التوتر.
الخصائص الرئيسية لخطوط الكهرباء:
- لا تتقاطع؛
- ليست مغلقة؛
- مستقر؛
- الاتجاه النهائي يتزامن مع اتجاه المتجه؛
- تبدأ عند $+ q$ أو عند ما لا نهاية، وتنتهي عند $– q$;
- تتشكل بالقرب من الشحنات (حيث يكون الجهد أكبر)؛
- عمودي على سطح الموصل الرئيسي.
التعريف 2
فرق الجهد الكهربائي أو الجهد (Ф أو $U$) هو حجم الإمكانات عند نقطتي البداية والنهاية لمسار الشحنة الموجبة. كلما قلت التغييرات المحتملة على طول مقطع المسار، انخفضت شدة المجال الناتج.
يتم توجيه شدة المجال الكهربائي دائمًا نحو تقليل الإمكانات الأولية.
الشكل 2. الطاقة الكامنة لنظام الشحنات الكهربائية. Author24 - تبادل أعمال الطلاب عبر الإنترنت
تميز القدرة الكهربائية قدرة أي موصل على تجميع الشحنة الكهربائية اللازمة على سطحه.
ولا تعتمد هذه المعلمة على الشحنة الكهربائية، ولكنها يمكن أن تتأثر بالأبعاد الهندسية للموصلات وأشكالها وموقعها وخصائص الوسط بين العناصر.
المكثف هو جهاز كهربائي عالمي يساعد على تجميع الشحنات الكهربائية بسرعة لإطلاقها في الدائرة.
المجال الكهربائي وكثافته
وفقا للعلماء المعاصرين، فإن الشحنات الكهربائية المستقرة لا تؤثر بشكل مباشر على بعضها البعض. يتم إنشاء كل جسم مادي مشحون في الكهرباء الساكنة بيئةالحقل الكهربائي. تمارس هذه العملية قوة على المواد المشحونة الأخرى. الخاصية الرئيسية للمجال الكهربائي هي أنه يؤثر على الشحنات النقطية ببعض القوة. وهكذا فإن تفاعل الجزيئات المشحونة إيجابيا يحدث من خلال المجالات التي تحيط بالعناصر المشحونة.
ويمكن دراسة هذه الظاهرة باستخدام ما يسمى بشحنة الاختبار، وهي شحنة كهربائية صغيرة لا تعيد توزيع الشحنات التي تتم دراستها بشكل كبير. لتحديد المجال كميًا، تم تقديم ميزة الطاقة - شدة المجال الكهربائي.
التوتر هو مؤشر فيزيائي يساوي نسبة القوة التي يؤثر بها المجال على شحنة اختبار موضوعة عند نقطة معينة في المجال إلى حجم الشحنة نفسها.
شدة المجال الكهربائي هي كمية فيزيائية متجهة. يتزامن اتجاه المتجه في هذه الحالة عند كل نقطة مادية في الفضاء المحيط مع اتجاه القوة المؤثرة على الشحنة الموجبة. يعتبر المجال الكهربائي للعناصر التي لا تتغير بمرور الوقت وتكون ثابتة كهروستاتيكيًا.
لفهم المجال الكهربائي، يتم استخدام خطوط القوة، والتي يتم رسمها بطريقة تجعل اتجاه محور التوتر الرئيسي في كل نظام يتزامن مع اتجاه المماس للنقطة.
الفرق المحتمل في الكهرباء الساكنة
يتضمن المجال الكهروستاتيكي خاصية واحدة مهمة: إن الشغل الذي تبذله قوى جميع الجسيمات المتحركة عند نقل شحنة نقطية من نقطة في المجال إلى أخرى لا يعتمد على اتجاه المسار، بل يتحدد فقط من خلال موضع المجال الكهروستاتيكي. الخطوط الأولية والنهائية ومعلمة الشحن.
نتيجة استقلال العمل عن شكل حركة الشحنات هي العبارة التالية: إن وظيفة قوى المجال الكهروستاتيكي عند تحويل الشحنة على طول أي مسار مغلق تساوي دائمًا الصفر.
الشكل 4. إمكانات المجال الكهروستاتيكي. Author24 - تبادل أعمال الطلاب عبر الإنترنت
تساعد خاصية إمكانات المجال الكهروستاتيكي على تقديم مفهوم الطاقة الكامنة وطاقة الشحنة الداخلية. والمعلمة الفيزيائية، التي تساوي نسبة الطاقة الكامنة في المجال إلى قيمة هذه الشحنة، تسمى الإمكانات الثابتة للمجال الكهربائي.
في العديد من مشاكل الكهرباء الساكنة المعقدة، عند تحديد إمكانات نقطة مادية مرجعية، حيث يصبح حجم الطاقة المحتملة والإمكانات نفسها صفرًا، يكون من الملائم استخدام نقطة عند اللانهاية. في هذه الحالة، يتم تحديد أهمية الإمكانات على النحو التالي: إن إمكانات المجال الكهربائي في أي نقطة في الفضاء تساوي العمل الذي تؤديه القوى الداخلية عند إزالة شحنة الوحدة الموجبة من نظام معين إلى ما لا نهاية.
في الكهرباء الساكنة، أحد القوانين الأساسية هو قانون كولوم. يتم استخدامه في الفيزياء لتحديد قوة التفاعل بين شحنتين نقطيتين ثابتتين أو المسافة بينهما. هذا هو قانون الطبيعة الأساسي الذي لا يعتمد على أي قوانين أخرى. ومن ثم فإن شكل الجسم الحقيقي لا يؤثر على حجم القوى. في هذا المقال سنقول بلغة بسيطةقانون كولوم وتطبيقه في الممارسة العملية.
تاريخ الاكتشاف
ش.س. كان كولومب في عام 1785 أول من أثبت تجريبيًا التفاعلات التي وصفها القانون. استخدم في تجاربه موازين الالتواء الخاصة. ومع ذلك، في عام 1773، أثبت كافنديش، باستخدام مثال مكثف كروي، أنه لا يوجد مجال كهربائي داخل الكرة. وهذا يدل على أن القوى الكهروستاتيكية تختلف باختلاف المسافة بين الأجسام. لنكون أكثر دقة - مربع المسافة. ولم يتم نشر بحثه حينها. تاريخيًا، سمي هذا الاكتشاف باسم كولومب، والكمية التي تقاس بها الشحنة لها اسم مشابه.
صياغة
ينص تعريف قانون كولومب على ما يلي: في الفراغالتفاعل بين جسمين مشحونين يتناسب طرديا مع حاصل ضرب معامليهما ويتناسب عكسيا مع مربع المسافة بينهما.
يبدو الأمر قصيرًا، لكنه قد لا يكون واضحًا للجميع. بكلمات بسيطة: كلما زادت الشحنات لدى الأجسام وكلما اقتربت من بعضها البعض، زادت القوة.
والعكس صحيح: إذا قمت بزيادة المسافة بين الشحنات، فإن القوة سوف تصبح أقل.
تبدو صيغة قاعدة كولوم كما يلي:
تعيين الحروف: ف - قيمة الشحن، ص - المسافة بينهما، ك - المعامل، يعتمد على نظام الوحدات المختار.
يمكن أن تكون قيمة الشحن q إيجابية أو سلبية بشكل مشروط. وهذا التقسيم تعسفي للغاية. عندما تتلامس الأجسام، يمكن أن تنتقل من واحدة إلى أخرى. ويترتب على ذلك أن نفس الجسم يمكن أن يكون له شحنة ذات حجم وعلامة مختلفة. الشحنة النقطية هي شحنة أو جسم تكون أبعاده أصغر بكثير من مسافة التفاعل الممكنة.
تجدر الإشارة إلى أن البيئة التي توجد فيها الشحنات تؤثر على التفاعل F. وبما أنهما متساويان تقريبًا في الهواء والفراغ، فإن اكتشاف كولوم ينطبق فقط على هذه الوسائط، وهذا أحد شروط استخدام هذا النوع من الصيغة. كما ذكرنا سابقًا، في نظام SI وحدة قياس الشحنة هي Coulomb، والمختصرة Cl. يميز كمية الكهرباء لكل وحدة زمنية. وهو مشتق من الوحدات الأساسية SI.
1 ج = 1 أ*1 ث
تجدر الإشارة إلى أن البعد 1 C زائد عن الحاجة. نظرًا لحقيقة أن الموجات الحاملة تتنافر مع بعضها البعض، فمن الصعب احتواؤها في جسم صغير، على الرغم من أن التيار 1A نفسه يكون صغيرًا إذا كان يتدفق في موصل. على سبيل المثال، في نفس المصباح المتوهج بقدرة 100 واط، يتدفق تيار قدره 0.5 أمبير، وفي السخان الكهربائي يتدفق أكثر من 10 أمبير. هذه القوة (1 درجة مئوية) تساوي تقريبًا كتلة 1 طن تعمل على جسم من جانب من الكرة الأرضية.
ربما لاحظت أن الصيغة هي نفسها تقريبًا كما في تفاعل الجاذبية، فقط إذا ظهرت الكتل في الميكانيكا النيوتونية، فإن الشحنات تظهر في الكهرباء الساكنة.
صيغة كولوم للوسط العازل
يتم تحديد المعامل، مع الأخذ في الاعتبار قيم نظام SI، في N 2 * m 2 / Cl 2. وهو يساوي:
في العديد من الكتب المدرسية، يمكن العثور على هذا المعامل في شكل كسر:
هنا E 0 = 8.85*10-12 C2/N*m2 هو الثابت الكهربائي. بالنسبة للعازل الكهربائي، تتم إضافة E - ثابت العزل الكهربائي للوسط، ثم يمكن استخدام قانون كولوم لحساب قوى تفاعل الشحنات للفراغ والوسط.
مع الأخذ في الاعتبار تأثير العازل، فإنه يحتوي على الشكل:
ومن هذا نرى أن إدخال عازل بين الأجسام يقلل من القوة F.
كيف يتم توجيه القوات؟
تتفاعل الشحنات مع بعضها البعض اعتمادًا على قطبيتها - فالشحنات المشابهة تتنافر، والشحنات المتعارضة (المعاكسة) تتجاذب.
بالمناسبة، هذا هو الفرق الرئيسي عن قانون مماثل لتفاعل الجاذبية، حيث تنجذب الأجسام دائمًا. يتم توجيه القوى على طول الخط المرسوم بينهما، والذي يسمى متجه نصف القطر. في الفيزياء يُشار إليه بالرمز r 12 وباعتباره ناقل نصف القطر من الشحنة الأولى إلى الشحنة الثانية والعكس. يتم توجيه القوى من مركز الشحنة إلى الشحنة المقابلة على طول هذا الخط إذا كانت الشحنات متضادة، وفي الاتجاه المعاكس إذا كانت تحمل نفس الاسم (اثنين موجبين أو اثنين سلبيين). في شكل ناقل:
يُشار إلى القوة المطبقة على الشحنة الأولى بواسطة الثانية بالرمز F 12. ثم، في شكل متجه، يبدو قانون كولوم كما يلي:
لتحديد القوة المطبقة على الشحنة الثانية، يتم استخدام التسميات F 21 و R 21.
إذا كان الجسم ذو شكل معقد وكبير بما يكفي بحيث لا يمكن اعتباره شحنة نقطية على مسافة معينة، فإنه ينقسم إلى أقسام صغيرة ويعتبر كل قسم شحنة نقطية. وبعد إضافة جميع المتجهات الناتجة هندسيًا، يتم الحصول على القوة الناتجة. تتفاعل الذرات والجزيئات مع بعضها البعض وفق نفس القانون.
التطبيق في الممارسة العملية
يعد عمل كولوم مهمًا جدًا في مجال الكهرباء الساكنة، حيث يتم استخدامه عمليًا في عدد من الاختراعات والأجهزة. ومن الأمثلة الصارخة على ذلك مانعة الصواعق. وبمساعدتها، يقومون بحماية المباني والمنشآت الكهربائية من العواصف الرعدية، وبالتالي منع الحرائق وتعطل المعدات. عندما تمطر مع عاصفة رعدية، تظهر شحنة مستحثة ذات حجم كبير على الأرض، وتنجذب نحو السحابة. اتضح أن مجالًا كهربائيًا كبيرًا يظهر على سطح الأرض. بالقرب من طرف مانعة الصواعق يكون أكبر، ونتيجة لذلك يتم إشعال تفريغ الهالة من الطرف (من الأرض، من خلال مانعة الصواعق إلى السحابة). تنجذب الشحنة القادمة من الأرض إلى الشحنة المعاكسة للسحابة، وفقًا لقانون كولوم. يتأين الهواء، وتتناقص شدة المجال الكهربائي قرب نهاية مانعة الصواعق. وبالتالي، لا تتراكم الشحنات على المبنى، وفي هذه الحالة يكون احتمال حدوث صاعقة منخفضًا. إذا حدثت ضربة على المبنى، فسوف تذهب كل الطاقة إلى الأرض من خلال مانع الصواعق.
في خطورة بحث علميإنهم يستخدمون أعظم بناء في القرن الحادي والعشرين - معجل الجسيمات. وفيه يعمل المجال الكهربائي على زيادة طاقة الجسيم. وبالنظر إلى هذه العمليات من وجهة نظر تأثير مجموعة من التهم على تهمة نقطة، فإن جميع علاقات القانون تصبح صالحة.
مفيد
الشحنة الكهربائيةهي كمية فيزيائية تميز قدرة الجزيئات أو الأجسام على الدخول في تفاعلات كهرومغناطيسية. عادة ما يتم تمثيل الشحنة الكهربائية بالحروف سأو س. في نظام SI، يتم قياس الشحنة الكهربائية بالكولوم (C). إن الشحن المجاني بقيمة 1 C هو مبلغ ضخم، غير موجود عمليا في الطبيعة. عادةً، سيتعين عليك التعامل مع ميكروكولوم (1 μC = 10 -6 درجة مئوية)، والكولوم النانوي (1 nC = 10 -9 درجة مئوية) والبيكوكولوم (1 قطعة = 10 -12 درجة مئوية). تتميز الشحنة الكهربائية بالخصائص التالية:
1. الشحنة الكهربائية هي نوع من المادة.
2. ولا تعتمد الشحنة الكهربائية على حركة الجسيم وسرعته.
3. يمكن نقل الرسوم (على سبيل المثال، عن طريق الاتصال المباشر) من هيئة إلى أخرى. على عكس كتلة الجسم، فإن الشحنة الكهربائية ليست سمة أساسية لجسم معين. نفس الجسم في ظل ظروف مختلفة يمكن أن يكون له شحنة مختلفة.
4. هناك نوعان من الشحنات الكهربائية، يُطلق عليهما تقليديًا إيجابيو سلبي.
5. جميع الرسوم تتفاعل مع بعضها البعض. في هذه الحالة، مثل الشحنات تتنافر، على عكس الشحنات تتجاذب. إن قوى التفاعل بين الشحنات مركزية، أي أنها تقع على خط مستقيم يربط بين مراكز الشحنات.
6. يوجد حد أدنى ممكن (modulo) للشحنة الكهربائية، يسمى تهمة الابتدائية. معناها:
ه= 1.602177·10 –19 درجة مئوية ≈ 1.6·10 –19 درجة مئوية
تكون الشحنة الكهربائية لأي جسم دائمًا من مضاعفات الشحنة الأولية:
أين: ن- عدد صحيح. يرجى ملاحظة أنه من المستحيل وجود شحنة تساوي 0.5 ه; 1,7ه; 22,7هوما إلى ذلك وهلم جرا. تسمى الكميات الفيزيائية التي لا يمكن أن تأخذ إلا سلسلة منفصلة (غير متصلة) من القيم محددة. الشحنة الأولية e هي كمية (أصغر جزء) من الشحنة الكهربائية.
في النظام المعزول، يظل المجموع الجبري لشحنات جميع الأجسام ثابتًا:
ينص قانون الحفاظ على الشحنة الكهربائية على أنه في نظام مغلق من الأجسام، لا يمكن ملاحظة عمليات إنشاء أو اختفاء شحنات علامة واحدة فقط. ويستنتج أيضًا من قانون حفظ الشحنة أنه إذا كان هناك جسمان لهما شحنات من نفس الحجم والشكل س 1 و س 2 (لا يهم على الإطلاق ما هي علامة الشحنات)، تتلامس، ثم تنفصل مرة أخرى، عندها تصبح شحنة كل من الأجسام متساوية:
من وجهة النظر الحديثة، حاملات الشحنة هي جسيمات أولية. جميع الأجسام العادية تتكون من ذرات، والتي تشمل موجبة الشحنة البروتونات، مشحون سلبيا الإلكتروناتوالجسيمات المحايدة - النيوترونات. البروتونات والنيوترونات هي جزء من النوى الذرية، وتشكل الإلكترونات الغلاف الإلكتروني للذرات. الشحنات الكهربائية للبروتون والإلكترون هي نفسها تمامًا من حيث القيمة المطلقة وتساوي الشحنة الأولية (أي الحد الأدنى الممكن) ه.
في الذرة المحايدة، عدد البروتونات في النواة يساوي عدد الإلكترونات الموجودة في الغلاف. ويسمى هذا الرقم العدد الذري. قد تفقد ذرة مادة معينة إلكترونًا واحدًا أو أكثر، أو تكتسب إلكترونًا إضافيًا. وفي هذه الحالات تتحول الذرة المحايدة إلى أيون موجب أو سالب. يرجى ملاحظة أن البروتونات الموجبة هي جزء من نواة الذرة، وبالتالي فإن عددها لا يمكن أن يتغير إلا أثناء التفاعلات النووية. ومن الواضح أنه عند كهربة الأجسام لا تحدث تفاعلات نووية. لذلك، في أي ظاهرة كهربائية، لا يتغير عدد البروتونات، فقط عدد الإلكترونات يتغير. وبالتالي، فإن نقل شحنة سالبة إلى الجسم يعني نقل إلكترونات إضافية إليه. ورسالة شحنة موجبة مخالفة خطأ عاملا يعني إضافة البروتونات، بل طرح الإلكترونات. لا يمكن نقل الشحنة من جسم إلى آخر إلا في أجزاء تحتوي على عدد صحيح من الإلكترونات.
في بعض الأحيان في المشاكل يتم توزيع الشحنة الكهربائية على جسم معين. ولوصف هذا التوزيع تم تقديم الكميات التالية:
1. كثافة الشحنة الخطية.يستخدم لوصف توزيع الشحنة على طول الفتيل:
أين: ل- طول الفقرة. تقاس بـ C/م.
2. كثافة الشحنة السطحية.يستخدم لوصف توزيع الشحنة على سطح الجسم:
أين: س– مساحة سطح الجسم . تقاس بـ C/m2.
3. كثافة الشحنة الحجمية.يستخدم لوصف توزيع الشحنة على حجم الجسم:
أين: الخامس– حجم الجسم . تقاس بـ C/m3.
يرجى ملاحظة ذلك كتلة الإلكترونمساوي ل:
أنا= 9.11∙10 –31 كجم.
قانون كولوم
تهمة نقطةيسمى الجسم المشحون الذي يمكن إهمال أبعاده في ظروف هذه المشكلة. وبناء على العديد من التجارب، وضع كولومب القانون التالي:
تتناسب قوى التفاعل بين شحنات النقاط الثابتة بشكل مباشر مع منتج معاملات الشحنة وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما:
أين: ε - ثابت العزل الكهربائي للوسط هو كمية فيزيائية بلا أبعاد توضح عدد المرات التي ستكون فيها قوة التفاعل الكهروستاتيكي في وسط معين أقل منها في الفراغ (أي عدد المرات التي يضعف فيها الوسط التفاعل). هنا ك– المعامل في قانون كولوم، وهي القيمة التي تحدد القيمة العددية لقوة تفاعل الشحنات. في نظام SI تعتبر قيمته مساوية لـ:
ك= 9∙10 9 م/ف.
إن قوى التفاعل بين الشحنات النقطية الثابتة تخضع لقانون نيوتن الثالث، وهي قوى تنافر من بعضها بنفس علامات الشحنات وقوى جذب لبعضها البعض بعلامات مختلفة. يسمى تفاعل الشحنات الكهربائية الثابتة كهرباءأو تفاعل كولوم. يسمى فرع الديناميكا الكهربائية الذي يدرس تفاعل كولوم الكهرباء الساكنة.
قانون كولوم صالح للأجسام النقطية المشحونة، والمجالات والكرات المشحونة بشكل موحد. في هذه الحالة، بالنسبة للمسافات صخذ المسافة بين مراكز المجالات أو الكرات. من الناحية العملية، يكون قانون كولوم راضيًا جيدًا إذا كانت أحجام الأجسام المشحونة أصغر بكثير من المسافة بينها. معامل في الرياضيات او درجة كفي نظام SI يتم كتابته أحيانًا على النحو التالي:
أين: ε 0 = 8.85∙10 –12 فهرنهايت/م – ثابت كهربائي.
تظهر التجربة أن قوى تفاعل كولوم تخضع لمبدأ التراكب: إذا تفاعل جسم مشحون في وقت واحد مع عدة أجسام مشحونة، فإن القوة الناتجة المؤثرة على هذا الجسم تساوي المجموع المتجه للقوى المؤثرة على هذا الجسم من جميع المشحونات الأخرى جثث.
تذكر أيضًا تعريفين مهمين:
الموصلات- المواد التي تحتوي على ناقلات شحنة كهربائية مجانية. داخل الموصل، من الممكن حرية حركة الإلكترونات - حاملات الشحنة - (يمكن للتيار الكهربائي أن يتدفق عبر الموصلات). تشمل الموصلات المعادن والمحاليل وذوبان الإلكتروليتات والغازات المتأينة والبلازما.
العوازل (العوازل)- المواد التي لا توجد بها ناقلات شحن مجانية. إن الحركة الحرة للإلكترونات داخل العوازل الكهربائية مستحيلة (لا يمكن للتيار الكهربائي أن يتدفق عبرها). وهي العوازل التي لها ثابت عازل معين لا يساوي الوحدة. ε .
بالنسبة لثابت العزل الكهربائي لمادة ما، يكون ما يلي صحيحًا (حول المجال الكهربائي أدناه):
المجال الكهربائي وكثافته
وفقا للمفاهيم الحديثة، فإن الشحنات الكهربائية لا تؤثر على بعضها البعض بشكل مباشر. ينشأ كل جسم مشحون في الفضاء المحيط به الحقل الكهربائي. هذا المجال لديه عمل القوةإلى أجسام مشحونة أخرى. الخاصية الرئيسية للمجال الكهربائي هي التأثير على الشحنات الكهربائية ببعض القوة. وهكذا فإن تفاعل الأجسام المشحونة لا يتم عن طريق تأثيرها المباشر على بعضها البعض، بل عن طريق المجالات الكهربائية المحيطة بالأجسام المشحونة.
يمكن دراسة المجال الكهربائي المحيط بالجسم المشحون باستخدام ما يسمى بشحنة الاختبار، وهي شحنة نقطية صغيرة لا تؤدي إلى إعادة توزيع ملحوظة للشحنات قيد الدراسة. لتحديد المجال الكهربائي كميًا، تم تقديم خاصية القوة - قوة المجال الكهربائي ه.
شدة المجال الكهربائي هي كمية فيزيائية تساوي نسبة القوة التي يؤثر بها المجال على شحنة اختبار موضوعة عند نقطة معينة في المجال إلى مقدار هذه الشحنة:
شدة المجال الكهربائي هي كمية فيزيائية متجهة. يتزامن اتجاه ناقل التوتر عند كل نقطة في الفضاء مع اتجاه القوة المؤثرة على شحنة الاختبار الإيجابية. يسمى المجال الكهربائي للشحنات الثابتة التي لا تتغير بمرور الوقت بالكهرباء الساكنة.
لتمثيل المجال الكهربائي بصريا، استخدم خطوط الكهرباء. يتم رسم هذه الخطوط بحيث يتطابق اتجاه متجه التوتر عند كل نقطة مع اتجاه المماس لخط القوة. خطوط الحقل لها الخصائص التالية.
- خطوط المجال الكهروستاتيكي لا تتقاطع أبدًا.
- يتم توجيه خطوط المجال الكهروستاتيكي دائمًا من الشحنات الموجبة إلى الشحنات السالبة.
- عند تصوير مجال كهربائي باستخدام خطوط المجال، يجب أن تكون كثافتها متناسبة مع حجم متجه شدة المجال.
- تبدأ خطوط القوة بشحنة موجبة، أو ما لا نهاية، وتنتهي بشحنة سالبة، أو ما لا نهاية. كلما زاد التوتر، زادت كثافة الخطوط.
- عند نقطة معينة في الفضاء، يمكن أن يمر خط واحد فقط من القوة، لأن يتم تحديد شدة المجال الكهربائي عند نقطة معينة في الفضاء بشكل فريد.
يسمى المجال الكهربائي موحدًا إذا كان متجه الشدة متساويًا في جميع نقاط المجال. على سبيل المثال، يتم إنشاء حقل موحد بواسطة مكثف مسطح - لوحتان مشحونتان بشحنة متساوية الحجم وعلامة معاكسة، مفصولة بطبقة عازلة، والمسافة بين اللوحات أقل بكثير من حجم اللوحات.
في جميع نقاط مجال موحد بتهمة س، أدخلت في مجال موحد بكثافة ه، قوة متساوية في المقدار والاتجاه، تساوي F = مكافئ. وعلاوة على ذلك، إذا كانت هذه التهمة سموجبة، فإن اتجاه القوة يتزامن مع اتجاه ناقل التوتر، وإذا كانت الشحنة سالبة، فإن نواقل القوة والتوتر تكون في اتجاه معاكس.
تظهر رسوم النقاط الموجبة والسالبة في الشكل:
مبدأ التراكب
إذا تمت دراسة المجال الكهربائي الناتج عن عدة أجسام مشحونة باستخدام شحنة اختبار، فإن القوة الناتجة تكون مساوية للمجموع الهندسي للقوى المؤثرة على شحنة الاختبار من كل جسم مشحون على حدة. وبالتالي، فإن شدة المجال الكهربائي الناتجة عن نظام من الشحنات عند نقطة معينة في الفضاء تساوي المجموع المتجه لشدة المجال الكهربائي الناتجة عن نفس النقطة بواسطة شحنات منفصلة:
خاصية المجال الكهربائي هذه تعني أن المجال يطيع مبدأ التراكب. وفقا لقانون كولوم، قوة المجال الكهروستاتيكي الناتجة عن شحنة نقطية سعلى المسافة صمنه، يساوي في المعامل:
ويسمى هذا الحقل حقل كولوم. في مجال كولوم، يعتمد اتجاه متجه الشدة على إشارة الشحنة س: لو س> 0، يتم توجيه ناقل الجهد بعيدًا عن الشحنة، إذا س < 0, то вектор напряженности направлен к заряду. Величина напряжённости зависит от величины заряда, среды, в которой находится заряд, и уменьшается с увеличением расстояния.
شدة المجال الكهربائي الناتج عن طائرة مشحونة بالقرب من سطحها:
لذا، إذا كانت المشكلة تتطلب تحديد شدة المجال لنظام الشحنات، فيجب علينا المضي قدمًا على النحو التالي خوارزمية:
- ارسم صورة.
- ارسم شدة المجال لكل شحنة على حدة عند النقطة المطلوبة. تذكر أن التوتر موجه نحو الشحنة السالبة وبعيدًا عن الشحنة الموجبة.
- احسب كلًا من التوترات باستخدام الصيغة المناسبة.
- أضف متجهات الإجهاد هندسيًا (أي متجهيًا).
الطاقة المحتملة لتفاعل الشحنة
تتفاعل الشحنات الكهربائية مع بعضها البعض ومع المجال الكهربائي. يتم وصف أي تفاعل بالطاقة المحتملة. الطاقة الكامنة للتفاعل بين الشحنات الكهربائية ذات النقطتينتحسب بواسطة الصيغة:
يرجى ملاحظة أن الرسوم لا تحتوي على وحدات. لأنه على عكس الشحنات، فإن طاقة التفاعل لها قيمة سالبة. نفس الصيغة صالحة لطاقة التفاعل بين الكرات والكرات المشحونة بشكل موحد. كالعادة، في هذه الحالة يتم قياس المسافة r بين مراكز الكرات أو المجالات. إذا لم يكن هناك شحنتان، بل أكثر، فيجب حساب طاقة تفاعلهما على النحو التالي: قسّم نظام الشحنات إلى جميع الأزواج الممكنة، واحسب طاقة التفاعل لكل زوج وقم بجمع كل الطاقات لجميع الأزواج.
تم حل المسائل المتعلقة بهذا الموضوع، مثل المسائل المتعلقة بقانون حفظ الطاقة الميكانيكية: أولا، يتم العثور على الطاقة الأولية للتفاعل، ثم الطاقة النهائية. إذا طلبت منك المسألة إيجاد الشغل المبذول لتحريك الشحنات، فسيكون مساويًا للفرق بين إجمالي الطاقة الأولية والنهائية لتفاعل الشحنات. يمكن أيضًا تحويل طاقة التفاعل إلى طاقة حركية أو أنواع أخرى من الطاقة. إذا كانت الأجسام على مسافة كبيرة جدًا، فإن طاقة تفاعلها يفترض أن تساوي 0.
ملحوظة: إذا كانت المشكلة تتطلب إيجاد الحد الأدنى أو الأقصى للمسافة بين الأجسام (الجزيئات) عند التحرك، فإن هذا الشرط سيتحقق في تلك اللحظة الزمنية التي تتحرك فيها الجزيئات في اتجاه واحد وبنفس السرعة. ولذلك، فإن الحل يجب أن يبدأ بكتابة قانون حفظ كمية الحركة، والذي منه تم العثور على هذه السرعة المتطابقة. وبعد ذلك يجب أن نكتب قانون حفظ الطاقة مع الأخذ بعين الاعتبار الطاقة الحركية للجزيئات في الحالة الثانية.
محتمل. التباينات المحتملة. الجهد االكهربى
للمجال الكهروستاتيكي خاصية مهمة وهي أن عمل قوى المجال الكهروستاتيكي عند نقل شحنة من نقطة في المجال إلى أخرى لا يعتمد على شكل المسار، بل يتحدد فقط من خلال موضع نقطتي البداية والنهاية وحجم التهمة.
نتيجة استقلال العمل عن شكل المسار هي العبارة التالية: عمل قوى المجال الكهروستاتيكي عند تحريك شحنة على طول أي مسار مغلق يساوي الصفر.
تتيح لنا خاصية الإمكانية (استقلال العمل عن شكل المسار) للمجال الكهروستاتيكي تقديم مفهوم الطاقة الكامنة للشحنة في المجال الكهربائي. والكمية الفيزيائية التي تساوي نسبة طاقة الوضع لشحنة كهربائية في مجال كهروستاتيكي إلى مقدار هذه الشحنة تسمى محتمل φ الحقل الكهربائي:
محتمل φ هي خاصية الطاقة للمجال الكهروستاتيكي. في النظام الدولي للوحدات (SI)، وحدة الجهد (وبالتالي فرق الجهد، أي الجهد) هي فولت [V]. الإمكانات هي كمية عددية.
في العديد من مسائل الكهرباء الساكنة، عند حساب الجهود، يكون من المناسب أخذ النقطة عند اللانهاية كنقطة مرجعية حيث تختفي قيم الطاقة المحتملة والإمكانات. في هذه الحالة، يمكن تعريف مفهوم الجهد على النحو التالي: جهد المجال عند نقطة معينة في الفضاء يساوي الشغل الذي تبذله القوى الكهربائية عند إزالة شحنة موجبة واحدة من نقطة معينة إلى ما لا نهاية.
باستدعاء صيغة طاقة الوضع لتفاعل شحنتين نقطيتين وتقسيمها على قيمة إحدى الشحنتين وفقا لتعريف الجهد، نحصل على ذلك محتمل φ حقول تهمة النقطة سعلى المسافة صمنه بالنسبة إلى نقطة عند اللانهاية يتم حسابها على النحو التالي:
يمكن أن تكون الإمكانات المحسوبة باستخدام هذه الصيغة موجبة أو سالبة اعتمادًا على إشارة الشحنة التي خلقتها. تعبر نفس الصيغة عن الإمكانات الميدانية للكرة (أو الكرة) المشحونة بشكل موحد عند ص ≥ ر(خارج الكرة أو المجال)، حيث رهو نصف قطر الكرة، والمسافة صتقاس من وسط الكرة.
لتمثيل المجال الكهربائي بصريًا، مع خطوط المجال، استخدم أسطح متساوية الجهد. يُطلق على السطح الذي تكون فيه إمكانات المجال الكهربائي نفس القيم في جميع نقاطه سطحًا متساوي الجهد أو سطحًا متساويًا في الإمكانات. تكون خطوط المجال الكهربائي دائمًا متعامدة مع الأسطح متساوية الجهد. إن الأسطح متساوية الجهد لمجال كولوم لشحنة نقطية هي مجالات متحدة المركز.
الكهرباء الجهد االكهربىإنه مجرد فرق محتمل، أي. يمكن إعطاء تعريف الجهد الكهربائي بالصيغة:
في المجال الكهربائي المنتظم توجد علاقة بين شدة المجال والجهد:
العمل الميداني الكهربائييمكن حسابه على أنه الفرق بين الطاقة الكامنة الأولية والنهائية لنظام الشحنات:
يمكن أيضًا حساب عمل المجال الكهربائي في الحالة العامة باستخدام إحدى الصيغ:
في المجال الموحد، عندما تتحرك شحنة على طول خطوط مجالها، يمكن أيضًا حساب شغل المجال باستخدام الصيغة التالية:
في هذه الصيغ:
- φ - إمكانات المجال الكهربائي.
- ∆φ - التباينات المحتملة.
- دبليو- الطاقة الكامنة لشحنة في مجال كهربائي خارجي.
- أ– عمل المجال الكهربائي لتحريك الشحنة (الشحنات).
- س– شحنة تتحرك في مجال كهربائي خارجي .
- ش- الجهد االكهربى.
- ه– شدة المجال الكهربائي .
- دأو ∆ ل– المسافة التي تنتقل إليها الشحنة على طول خطوط القوة .
في جميع الصيغ السابقة كنا نتحدث على وجه التحديد عن عمل المجال الكهروستاتيكي، ولكن إذا كانت المشكلة تقول "يجب أن يتم العمل"، أو نحن نتحدث عنفيما يتعلق بـ "عمل القوى الخارجية"، فيجب النظر إلى هذا العمل بنفس طريقة العمل الميداني، ولكن بالعلامة المعاكسة.
مبدأ التراكب المحتمل
من مبدأ تراكب شدة المجال الناتج عن الشحنات الكهربائية، يتبع مبدأ تراكب الإمكانات (في هذه الحالة، تعتمد علامة جهد المجال على إشارة الشحنة التي خلقت المجال):
لاحظ كم هو أسهل بكثير تطبيق مبدأ تراكب الإمكانات من مبدأ التوتر. الإمكانات هي كمية عددية ليس لها اتجاه. إن إضافة الإمكانات هو ببساطة إضافة قيم عددية.
القدرة الكهربائية. مكثف مسطح
عند نقل الشحنة إلى موصل، هناك دائمًا حد معين لن يكون من الممكن بعده شحن الجسم. لوصف قدرة الجسم على تجميع الشحنات الكهربائية، تم تقديم هذا المفهوم السعة الكهربائية. سعة موصل معزول هي نسبة شحنته إلى الجهد:
في نظام SI، يتم قياس السعة بالفاراد [F]. 1 فاراد هي سعة كبيرة جدًا. وعلى سبيل المقارنة، فإن سعة الكرة الأرضية بأكملها أقل بكثير من فاراد واحد. لا تعتمد سعة الموصل على شحنته ولا على جهد الجسم. وبالمثل، فإن الكثافة لا تعتمد على كتلة الجسم أو حجمه. تعتمد القدرة فقط على شكل الجسم وحجمه وخصائص بيئته.
القدرة الكهربائيةنظام من موصلين هو كمية فيزيائية تعرف بأنها نسبة الشحن سأحد الموصلات لفرق الجهد Δ φ بينهم:
يعتمد حجم السعة الكهربائية للموصلات على شكل وحجم الموصلات وعلى خصائص العازل الكهربائي الذي يفصل الموصلات. هناك تكوينات للموصلات يتركز فيها المجال الكهربائي (موضعي) فقط في منطقة معينة من الفضاء. تسمى هذه الأنظمة المكثفات، وتسمى الموصلات التي يتكون منها المكثف بطانات.
أبسط مكثف هو نظام مكون من لوحين موصلين مسطحين متوازيين مع بعضهما البعض على مسافة صغيرة مقارنة بحجم اللوحين ويفصل بينهما طبقة عازلة. يسمى هذا المكثف مستوي. يتم تحديد المجال الكهربائي لمكثف اللوحة المتوازية بشكل رئيسي بين الألواح.
تخلق كل لوحة من الألواح المشحونة للمكثف المسطح مجالًا كهربائيًا بالقرب من سطحه، ويتم التعبير عن معامله بالعلاقة المذكورة أعلاه. إذن فإن معامل شدة المجال النهائية داخل المكثف الناتج عن الصفيحتين يساوي:
خارج المكثف، يتم توجيه المجالات الكهربائية لللوحتين في اتجاهات مختلفة، وبالتالي المجال الكهروستاتيكي الناتج ه= 0. يمكن حسابها باستخدام الصيغة:
وبالتالي فإن السعة الكهربائية للمكثف المسطح تتناسب طرديا مع مساحة الألواح (الألواح) وتتناسب عكسيا مع المسافة بينهما. إذا امتلأت المسافة بين اللوحين بمادة عازلة، فإن سعة المكثف تزداد بمقدار ε مرة واحدة. .لاحظ أن سفي هذه الصيغة هناك مساحة لوحة مكثف واحدة فقط. عندما يتحدثون عن "منطقة الطلاء" في مشكلة ما، فإنهم يقصدون هذه القيمة بالضبط. لن تحتاج أبدًا إلى ضربه أو قسمته على 2.
مرة أخرى نقدم الصيغة ل تهمة مكثف. يتم فهم شحنة المكثف فقط على أنها الشحنة الموجودة على لوحه الموجب:
قوة التجاذب بين ألواح المكثف .لا يتم تحديد القوة المؤثرة على كل لوحة من خلال المجال الكلي للمكثف، ولكن من خلال المجال الناتج عن اللوحة المقابلة (اللوحة لا تؤثر على نفسها). وقوة هذا المجال تساوي نصف قوة المجال الكلي، وقوة التفاعل بين اللوحين هي:
طاقة المكثف.وتسمى أيضًا طاقة المجال الكهربائي داخل المكثف. تظهر التجربة أن المكثف المشحون يحتوي على احتياطي من الطاقة. طاقة المكثف المشحون تساوي عمل القوى الخارجية التي يجب إنفاقها لشحن المكثف. هناك ثلاثة أشكال متكافئة لكتابة صيغة طاقة المكثف (تتبع واحدة من الأخرى إذا استخدمنا العلاقة س = C.U.):
انتبه بشكل خاص إلى العبارة: "المكثف متصل بالمصدر". وهذا يعني أن الجهد عبر المكثف لا يتغير. وعبارة "تم شحن المكثف وفصله عن المصدر" تعني أن شحنة المكثف لن تتغير.
طاقة المجال الكهربائي
يجب اعتبار الطاقة الكهربائية بمثابة طاقة محتملة مخزنة في مكثف مشحون. وفقا للمفاهيم الحديثة، يتم تحديد الطاقة الكهربائية للمكثف في الفضاء بين لوحات المكثف، أي في المجال الكهربائي. لذلك تسمى طاقة المجال الكهربائي. تتركز طاقة الأجسام المشحونة في الفضاء الذي يوجد فيه مجال كهربائي، أي. يمكننا التحدث عن طاقة المجال الكهربائي. على سبيل المثال، تتركز طاقة المكثف في الفراغ الموجود بين ألواحه. وبالتالي، فمن المنطقي تقديم خاصية فيزيائية جديدة - كثافة الطاقة الحجمية للمجال الكهربائي. باستخدام مكثف مسطح كمثال، يمكننا الحصول على الصيغة التالية لكثافة الطاقة الحجمية (أو الطاقة لكل وحدة حجم للمجال الكهربائي):
اتصالات مكثف
التوصيل المتوازي للمكثفات- لزيادة القدرة. يتم توصيل المكثفات بواسطة لوحات مشحونة بشكل مماثل، كما لو أن زيادة مساحة اللوحات المشحونة بشكل متساوي. الجهد الكهربي على جميع المكثفات هو نفسه، والشحنة الإجمالية تساوي مجموع شحنات كل مكثف، والسعة الإجمالية تساوي أيضًا مجموع سعات جميع المكثفات المتصلة على التوازي. دعنا نكتب الصيغ الخاصة بالتوصيل المتوازي للمكثفات:
في توصيل سلسلة من المكثفاتتكون السعة الإجمالية لبنك المكثف دائمًا أقل من سعة أصغر مكثف موجود في البطارية. يتم استخدام اتصال سلسلة لزيادة جهد انهيار المكثفات. دعونا نكتب الصيغ لتوصيل المكثفات على التوالي. يتم العثور على السعة الإجمالية للمكثفات المتصلة على التوالي من العلاقة:
ويترتب على قانون حفظ الشحنة أن الشحنات على الصفائح المتجاورة متساوية:
الجهد يساوي مجموع الفولتية على المكثفات الفردية.
بالنسبة لمكثفين متصلين على التوالي، فإن الصيغة أعلاه ستعطينا التعبير التالي للسعة الإجمالية:
ل نالمكثفات المتماثلة المتصلة بالسلسلة:
المجال الموصل
شدة المجال داخل موصل مشحون تساوي صفر.وإلا فإن قوة كهربائية تؤثر على الشحنات الحرة داخل الموصل، مما يجبر هذه الشحنات على التحرك داخل الموصل. وهذه الحركة بدورها تؤدي إلى تسخين الموصل المشحون، وهو ما لا يحدث في الواقع.
يمكن فهم حقيقة عدم وجود مجال كهربائي داخل الموصل بطريقة أخرى: إذا كان هناك مجال كهربائي، فإن الجزيئات المشحونة ستتحرك مرة أخرى، وسوف تتحرك تمامًا بطريقة تقلل هذا المجال إلى الصفر مع نفسها المجال، لأن بل إنهم في الواقع لا يريدون التحرك، لأن كل نظام يسعى إلى تحقيق التوازن. عاجلاً أم آجلاً، ستتوقف جميع الشحنات المتحركة في ذلك المكان تمامًا، بحيث يصبح المجال داخل الموصل صفرًا.
على سطح الموصل، تكون شدة المجال الكهربائي هي الحد الأقصى. إن مقدار شدة المجال الكهربائي لكرة مشحونة خارج حدودها يتناقص مع المسافة من الموصل ويتم حسابها باستخدام صيغة مشابهة لصيغة شدة المجال لشحنة نقطية، حيث يتم قياس المسافات من مركز الكرة .
نظرًا لأن شدة المجال داخل الموصل المشحون تساوي صفرًا، فإن الجهد عند جميع النقاط داخل الموصل وعلى سطحه هو نفسه (فقط في هذه الحالة يكون فرق الجهد، وبالتالي الجهد، صفرًا). الجهد الموجود داخل الكرة المشحونة يساوي الجهد الموجود على السطح.يتم حساب الجهد خارج الكرة باستخدام صيغة مشابهة لصيغ جهد الشحنة النقطية، حيث يتم قياس المسافات من مركز الكرة.
نصف القطر ر:
إذا كانت الكرة محاطة بمادة عازلة فإن:
خواص الموصل في المجال الكهربائي
- داخل الموصل، تكون شدة المجال دائمًا صفرًا.
- إن الجهد الموجود داخل الموصل هو نفسه في جميع النقاط ويساوي جهد سطح الموصل. عندما يقولون في مسألة ما أن "الموصل مشحون بجهد ... V"، فإنهم يقصدون على وجه التحديد الجهد السطحي.
- خارج الموصل بالقرب من سطحه، تكون شدة المجال دائمًا متعامدة مع السطح.
- إذا تم إعطاء شحنة إلى موصل، فسيتم توزيعها كلها على طبقة رقيقة جدًا بالقرب من سطح الموصل (يقال عادةً أن شحنة الموصل بأكملها موزعة على سطحه). يمكن تفسير ذلك بسهولة: الحقيقة هي أنه عند نقل الشحنة إلى الجسم، فإننا ننقل إليه حاملات الشحنة التي تحمل نفس العلامة، أي. مثل الشحنات التي تتنافر. وهذا يعني أنهم سيحاولون الهروب من بعضهم البعض إلى أقصى مسافة ممكنة، أي. تتراكم عند حواف الموصل. ونتيجة لذلك، إذا تمت إزالة القلب من الموصل، فلن تتغير خصائصه الكهروستاتيكية بأي شكل من الأشكال.
- خارج الموصل، كلما زاد انحناء سطح الموصل، زادت شدة المجال. يتم تحقيق أقصى قيمة للتوتر بالقرب من الحواف والفواصل الحادة في سطح الموصل.
ملاحظات حول حل المشكلات المعقدة
1. التأريضيعني ربط شيء مع موصل من هذا الكائنمع الأرض. في هذه الحالة، تتساوى إمكانات الأرض والجسم الموجود، وتتحرك الشحنات اللازمة لهذا على طول الموصل من الأرض إلى الجسم أو العكس. في هذه الحالة، من الضروري مراعاة عدة عوامل تنبع من حقيقة أن الأرض أكبر بشكل غير متناسب من أي جسم موجود عليها:
- الشحنة الإجمالية للأرض هي صفر تقليديًا، لذا فإن إمكاناتها تكون أيضًا صفرًا، وستظل صفرًا بعد اتصال الجسم بالأرض. باختصار، يعني "الأرض" إعادة ضبط إمكانات الجسم.
- لإعادة ضبط الإمكانات (وبالتالي الشحنة الخاصة بالجسم، والتي كان من الممكن أن تكون في السابق إما موجبة أو سالبة)، سيتعين على الجسم إما أن يقبل أو يمنح الأرض بعض الشحنة (وربما حتى كبيرة جدًا)، وستظل الأرض دائمًا تكون قادرة على توفير هذه الإمكانية.
2. دعونا نكرر مرة أخرى: المسافة بين الأجسام الطاردة تكون ضئيلة في اللحظة التي تصبح فيها سرعاتها متساوية في الحجم وموجهة في نفس الاتجاه (السرعة النسبية للشحنات صفر). في هذه اللحظة، الطاقة المحتملة لتفاعل الرسوم هي الحد الأقصى. تكون المسافة بين الأجسام المتجاذبة هي الحد الأقصى، وكذلك في لحظة تساوي السرعات الموجهة في اتجاه واحد.
3. إذا كانت المشكلة تتعلق بنظام يتكون من عدد كبير من الشحنات، فمن الضروري النظر في ووصف القوى المؤثرة على شحنة غير موجودة في مركز التماثل.
إن التنفيذ الناجح والدؤوب والمسؤول لهذه النقاط الثلاث، بالإضافة إلى الدراسة المسؤولة لاختبارات التدريب النهائية، سيسمح لك بإظهار نتيجة ممتازة في التصوير المقطعي، وهو الحد الأقصى الذي يمكنك تحقيقه.
وجدت خطأ؟
إذا كنت تعتقد أنك وجدت خطأ في المواد التعليمية، ثم يرجى الكتابة عن ذلك عن طريق البريد الإلكتروني (). في الرسالة، أشر إلى الموضوع (الفيزياء أو الرياضيات)، أو اسم أو رقم الموضوع أو الاختبار، أو رقم المشكلة، أو المكان في النص (الصفحة) الذي يوجد فيه خطأ في رأيك. قم أيضًا بوصف الخطأ المشتبه به. لن تمر رسالتك دون أن يلاحظها أحد، وسيتم تصحيح الخطأ، أو سيتم توضيح سبب عدم اعتباره خطأ.