ذات صلة أنواع المجال الكهربائي تطبيقات المجال الكهربائي في حياتنا
مفهوم خطوط المجال الكهربائي
تتحرك الشحنات الكهربائية، وتؤثر هذه الحركة على الفراغ المحيط بالشحنات، وتصنع فيه ما يُسمى بالمجال الكهربائي، أي المنطقة التي يمكن للشحنات الكهربائية التأثير في غيرها من الشحنات، ويتم تمثيل هذا المجال بخطوط وهمية تُسمى خطوط المجال الكهربائي. [١]
اتجاه خطوط المجال الكهربائي
يحدد اتجاه خطوط المجال الكهربائي، عند وضع شحنة للاختيار، في حيز مجال الشحنة الموجبة، فإذا وضع في المجال شحنة موجبة، فستتنافر الشحنتان لأنهما متشابهتان في أن كلتاهما موجبتان، أي أن شحنة الاختبار ستتحرك بعيدًا، إذ تمثل بسهم خارج، أما إن وضعت شحنة اختبار سالبة، فستتجاذبان، لأنهما مختلفتان، أي ستتقرب، وتمثل بسهم داخل. [٢]
خصائص خطوط المجال الكهربائي
تمتاز خطوط المجال الكهربائي بعدة خصائص منها [٣]:
لا تتقاطع خطوط المجال الكهربائي مع بعضها بعضًا. تتعامد خطوط المجال الكهربائي مع سطح الشحنة. تتناسب عدد خطوط المجال الكهربائي مع حجم الشحنة. تبدأ خطوط المجال الكهربائي عند الشحنة الموجبة، وتنتهي عند الشحنة السالبة. تعد خطوط المجال الكهربائي خطوطًا وهمية.
- تعريف المجال الكهربائي كمية متجهة
- تعريف المجال الكهربائي الأصلي صنعه أينتهوفن
- تعريف المجال الكهربائي من
- تجارب علمية بسيطة للاطفال تجربة البركان والفقاعات والرسم على الحليب - البسيط دوت كوم
تعريف المجال الكهربائي كمية متجهة
فالواقع، یتم تكبير حجم الحقل أولاً ثم يتم تصغيره. يوضح الرسم البياني أدناه التغيرات في حجم المجال الكهربائي من حيث المسافة من القرص. قبل أن نحصل على مجال كهربائي، قد نشعر أن كلما ابتعدنا عن القرص، يتناقص المجال الكهربائي بشكل مطرد. المثال التالي هو مثال جيد لفهم مفهوم المجال الكهربائي بسبب التوزيع السطحي للشحنة الكهربائية. مثال 3
لنفترض كما هو موضح أدناه، أننا نريد حساب المجال الكهربائي الناتج عن توزيع الشحنة Q على قرص نصف قطره R على مسافة x من القرص. نظرًا لتوحيد توزيع الشحنة، يتم تعريف كثافة سطح الشحنة الكهربائية على أنها القيمة التالية. لحساب المجال، في الخطوة الأولى، نعتبر حلقة بسمك تفاضلي da وفقًا للشكل أعلاه؛ ثم نحسب المجال التفاضلي الناتج، وأخيرًا عن طريق دمج القرص بالكامل، سيتم الحصول على إجمالي المجال الكهربائي. ومساحة الحلقة الصغيرة المعتبرة تساوي:
تحتوي هذه الحلقة على حمولة بالحجم التالي:
يؤدي الحمل الجزئي المحسوب أعلاه إلى حقل جزئي على مسافة x من نفسه. حجم الحقل الجزئي يساوي:
أخيرًا، يتم الحصول على المجال الكهربائي الذي يساوي القيمة التالية من خلال التكامل من المعادلة أعلاه من a = 0 إلى a = R:
يمكن حساب نتيجة التكامل أعلاه باستخدام طريقة تغيير المتغير.
تعريف المجال الكهربائي الأصلي صنعه أينتهوفن
3_ عادة ما تكون خطوط المجال الكهربي خارجة عن الشحنة الموجبة، وأيضا داخلة في الشحنة السالبة. 4_ ان خطوط المجال الكهربي لا تتقاطع باي شكل من الاشكال، فاذا كانت خطوط المجال تلك تتقاطع فان المجال الكهربي يعني انه سوف يتكون هناك اتجاهان للمجال الكهربي، وذلك عند نقطة التقاطع، ولكان المجال الكهربي عند نقطة التقاطع له قيمتان، وهو ذلك الامر الذي لا يمكن تصحيحه ابدا. 5_ ان عدد الخطوط للمجال الكهربي تتناسب بشكل كبير مع مقدارها، حيث ان خطوط المجال تكون أكثف إذا كان المجال الكهربي اقوى، أي ان عدد خطوط المجال الكهربي والتي من الممكن ان تخترق سطحا ما، ستكون مع الوقت أكثر إذا كان المجال الكهربي فيها اقوى، ولكنها ستكون قليلة، أي ان خطوط المجال الكهربي ستكون متباعدة عن بعضها البعض في ذلك الوقت، وخاصة إذا كان المجال الكهربي ضعيف للغاية. 6_ كما انه كلما اقتربنا من تلك الشحنة زادت شدة المجال الكهربي، وبتلك الطريقة فأنها تزداد كثافة خطوط المجال الكهربي، ولكن كلما ابتعدنا عن تلك الشحنة فان شدة المجال الكهربي تقل، وبالتالي فان كثافة الخطوط الكهربية تقل بدورها. تعريف المجال الكهربي المنتظم
ان المجال الكهربي المنتظم هو عبارة عن ذلك المجال الكهربي الذي يتولد بين صفيحتين يكونان مشحونين، وتحمل كل واحدة منهم شحنة مختلفة عن الاخرى، وتكون واحدة منهم هي الشحنة السالبة بينما الشحنة الأخرى التي توجد تكون موجبة، وبتلك الطريقة يكون المجال الكهربي المنتظم في اتجاه واحد، أي انه يكون من الصفيحة التي تحمل الشحنة الموجبة الى تلك الصفيحة اتي تحمل الشحنة السالبة.
تعريف المجال الكهربائي من
اتجاه هذه الخطوط هو نفس اتجاه متجه المجال الكهربائي. كثافة المجال الكهربائي بسبب نقطة الشحن ومجموعة الشحن يمكن الحصول على شدة المجال الكهربائي بسبب الشحنات النقطية باستخدام قانون كولوم. شدة المجال الكهربائي بسبب شحنة النقطة موضحة في الشكل أدناه. شدة المجال الكهربائي بسبب شحنة نقطة وفقًا لقانون كولوم ، يتم التعبير عن القوة 'F' كـ F = q * q 0 / 4Πε 0 ص اثنين ص ̂ ……………………………… (1) يتم التعبير عن شدة المجال الكهربائي بسبب شحنة النقطة. ه = ف / ف 0 ص ̂ ………………………. اي كيو (2) سيحصل البديل eq (1) في eq (2) على تعبير شدة المجال الكهربائي جنبًا إلى جنب مع شحنة النقطة و اختبار الحمل ه = ف * ف 0 / 4Πε 0 ص اثنين * 1 / ف 0 ص ̂ ه = ف / 4Πε 0 ص اثنين ص ̂ …………………… (3) حيث r ̂ هو متجه الوحدة المعادلة (3) هي شدة المجال الكهربائي بسبب شحنة النقطة جنبًا إلى جنب مع شحنة النقطة وشحنة الاختبار. شدة المجال الكهربائي بسبب مجموعة الشحنات موضحة في الشكل أدناه شدة المجال الكهربائي بسبب مجموعة الشحنات أين ف 1 ، ماذا او ما اثنين، ماذا او ما 3 ، ماذا او ما 4 ، ماذا او ما 5 ، ماذا او ما 6 ………. ماذا او ما ن هي التهم و ص 1 ، ص اثنين، ص 3 ، ص 4 ، ص 5 ، ص 6 ……….
تجربة تمثيل خطوط المجال الكهربائي
تعد تجربة وضع برادة الحديد على حدود المجال الكهربائي، طريقة سهلة لمعرفة أو مشاهدة خطوط المجال الكهربائي عمليًا، وتُجرى هذه التجربة بالأدوات الآتية؛ وهي؛ حوض بلاستيكي شفاف، 4 أسلاك مع مشابك التمساح، بطارية 9 فولت، ورق رسم بياني، وكتابة الأرقام على الصفوف الحروف على الأعمدة، ثم وضعها تحت الحوض، وملئه بنحو 2. 5 سم من الماء، بعد ذلك يوضع القضيبين المعدنيين في الحوض عند حواف ورقة الرسم البياني، إذ يُتوقع القدرة على رؤية ورقة الرسم البياني من خلال قاع الحوض. [٤]
يوصل الطرف الموجب للبطارية بأحد القضبان باستخدام سلك، ويوصل الطرف السالب للبطارية بالقضيب الآخر باستخدام سلك آخر، يبدأ قراءة قياسات الفولت المختلفة من خلال وضع الرصاص الموجب (الرصاص الأحمر) في مكان ما بين القضيبين، مع تحريك الشحنة السالبة، وتسجيلها على الورق، ثم تحريك شحنة الاختبار، إلى ما بين القضيبين، ثم إلى مواقع مختلفة، مع الاستمرار في ذلك للحصول على خمس نقاط على الأقل وتسجيلها على الورق، وأخيرًا يُرسم خط يربط بين النقاط على الورق البياني، مع استمرار القيام بذلك باستخدام مواقع مختلفة في الحوض، حتى تتكون فكرة جيدة عن شكل خطوط المجال.
تدفق الحقل الكهربائي [ تحرير | عدل المصدر]
يتعلق تدفق الحقل الكهربائي مثلاً، بتوزع الشحنة على سطح الناقل، فيكون التدفق عبر واحدة السطح أو ما يسمى كثافة التدفق flux density، مساوياً الشحنة الكهربائية في واحدة السطح أي الكثافة السطحية. وبما أن اتجاه الحقل الكهربائي عند نقطة من سطح ناقل عمودي على هذا السطح فإن خطوط الحقل تنطلق من السطح موجب الشحنة متجهة نحو السطوح سالبة الشحنة، فإذا ما تشكل أنبوب من هذه الخطوط كان التدفق عبر هذا الأنبوب ثابتاً شريطة أن لا يحتوي على شحنات ما عدا المتوزعة على السطوح. تدفق الحقل المغناطيسي [ تحرير | عدل المصدر]
أما تدفق الحقل المغنطيسي أو التدفق المغنطيسي اختصارأ فيساعد في حساب القوة المحركة الكهربائية، فهي تساوي في ملف محرك كهربائي تغير التدفق مع الزمن. كما تساعد في صياغة قوانين التحريك الكهربائي[ر] صياغة رياضية وفق قوانين مكسويل. التدفق الحراري [ تحرير | عدل المصدر]
تقوم كثافة التدفق الحراري (وهي كمية الحرارة التي تعبر واحدة السطح في واحدة الزمن بصورة عمودية عليه) بدور مماثل في التعبير عن خواص المادة الحرارية، فهي متناسبة مع حقل التدرج في درجة الحرارة وثابت التناسب هو الناقلية الحرارية للمادة، وذلك عندما تنتقل الحرارة عبر قضيب معدني أو أنبوب وضع طرفاه على تماس مع منبعين حراريين مختلفين في درجة حرارتهما.
في هذه التّجربة نصنع شيئًا ما يبدو كالبركان الصّغير، بمساعدة أدوات بسيطة متوفّرة في كلّ بيت أو في محلاّت البقالة. ألمُعدّات:
كأسان، من المفضّل أن تكون الكأس ضيّقة وطويلة
خَلّ
ملعقة
مسحوق صودا للشّرب (متوفّر في جميع المتاجر)
صابون سائل أو سائل لغسل الأواني
قطرة من صبغة طعام (غير إلزاميّ)
صينيّة (لإجراء التّجربة عليها وذلك تَفادِيًا لتوسيخ المكان – غير إلزاميّ)
مجرى التّجربة يُمكننا مشاهدة مجرى التّجربة من خلال الفيلم القصير التّالي:
الشّرح الخلّ، ذو الصيغة الكيميائيّة CH3COOH هو مادّة حامضيّة (كما يشيرُ إلى ذلك ٱسمه)؛ أما بيكربونات الصودا المعروفة باسم (صودا الشّرب) أيضًا بصيغتها الكيميائية NaHCO3، فهي مادّة قاعديّة، وتشكّلان معًا ما يسمّى تفاعلاً "حامضيًّا- قاعديًّا". تجارب علمية بسيطة للاطفال تجربة البركان والفقاعات والرسم على الحليب - البسيط دوت كوم. في هذه التّفاعلات حامض-قاعدة، ينتقلُ بروتون (H+) من الحامض إلى القاعدة، وتتميّز هذه التّفاعلات بسرعة عالية جدًّا. من الناحية الكيميائيّة، التّفاعل الذي يحدث هو التالي: CH3COOH(aq) + NaHCO3(aq) ----> CH3COONa(aq) + H2O(l) + CO2(g). تُشير العلامات الموجودة في الأقواس السفلية إلى حالة المادة (aq) إلى مادّة مذابة في الماء؛ وأما (l) فيرمز إلى حالة المادّة السائلة؛ في حين أنّ الحرف (g) يرمز إلى حالة المادّة الغازيّة.
تجارب علمية بسيطة للاطفال تجربة البركان والفقاعات والرسم على الحليب - البسيط دوت كوم
اختيار مكان مناسب لتطبيق التجربة، إذ لا بدّ من اختيار مكان يسهل تنظيفه كالحديقة، أو خارج المنزل، أو طاولة كبيرة لا يوجد عليها سجادة. تجهيز خليط البركان عن طريق خلط كوب من الخل مع بخة واحدة من سائل غسول الأطباق. إضافة كمية صودا الخبز وقطرات من مُلوّن الطعام إلى القارورة البلاستيكيّة عن طريق استخدام القمع. سكب خليط الخلّ مع سائل تنظيف الصحون في القارورة البلاستيكية، حينئذ يُمكن رؤية التفاعل الناتج الشبيه بثوران البركان، ويُمكن توثيق لحظة تطبيق التجربة من خلال تجهيز الكاميرا قبل البدء بالتجربة. استخدام المعجون
يُمكن صُنع نموذج للبركان باستخدام المعجون المصنوع في المنزل، وذلك باتباع الخطوات الآتية: [٤]
فيما يأتي المواد اللازمة لصناعة المعجون المُستخدَم لصنع البركان، وطريقة صنع نموذج البركان ومادة التدفق: [٤]
لصُنع المعجون داخل المنزل: 6 أكواب من الطحين، و2 كوب من الماء، و4 ملاعق طعام من الزيت النباتي، و2 كوب من الملح، ومُلوّن طعام. لصُنع جسم البركان: سطح واقي يُمثّل قاعدة النموذج، يُمكن استخدام الورق المشمع (Wax Paper)، أو طبقة سميكة من الصُحف الورقيّة، أو استخدام صندوق خشبي، أو صينية مغلفة بأوراق من القصدير، إضافة إلى النصف السفلي من قارورة مياه بلاستيكية فارغة أو علبة صفيح (Tin Can).
إرشادات السلامة
من الإرشادات الواجب اتباعها عند القيام بالتجربة: [٧]
ارتداء نظارات واقية أثناء القيام بالتجربة. استخدام كوب زجاجي ذي جودة عالية، أيّ يتحمل درجات الحرارة المرتفعة، أو استخدام الكوب الخاصّ بقياس السوائل. عدم وضع الدورق الزجاجي فوق الموقد مباشرة. فيما يأتي خطوات محاكاة تكوّن البركان: [٧]
بداية، إشعال فتيل الشمعة لمُدّة تصل إلى 20 ثانية، ثمّ إمالة الشمعة بحذر فوق الدورق؛ لتقطير الشمع المُذاب داخله، مع الاستمرار في هذه العملية للحصول تقريبًا على 2-3 ملاعق صغيرة من الشمع في الدورق، ثمّ تُطفئ الشمعة. ترك الشمع المُذاب حتى يجمد ويتصلب، ومن بعد ذلك يتمّ وضع طبقة رقيقة من الرمل لتغطية الشمع يترواح سُمكها إلى حوالي 2. 5 سم. ملء الدورق بالماء بعناية؛ حتى لا يتعكر الماء، مع التأكيد على الانتظار لمُدّة 30 ثانية تقريباً قبل بدء التجرية؛ حتى يستقر الرمل ويصفى الماء. إشعال المصباح الكحولي باستخدام أعواد الكبريت، ويُشار إلى أنّه في حال استخدام الموقد الكحولي يُمكن الحصول على نتائج أسرع، ويُراعى أولاً الانتظار لمدّة دقيقة؛ حتى تستقر شعلة الموقد، ومن بعدها يتمّ وضع حامل الدورق فوق المصباح الكحولي، ووضع الدورق فوقه.