تجمع الشحنات الكهربائيه على سطح جسم ما

سؤال
سؤال

تجمع الشحنات الكهربائيه على سطح جسم ما

الكهرباء الساكنة: تتوافق خصائص الموصل مع المواقف التي تمت مناقشتها بالفعل ويمكن استخدامها لتحليل أي موصل في حالة التوازن الكهروستاتيكي. يمكن أن يؤدي هذا إلى بعض الأفكار الجديدة المثيرة للاهتمام ، كما هو موضح أدناه.

كيف يمكن إنشاء مجال كهربائي موحد للغاية؟ ضع في اعتبارك نظامًا يتكون من لوحين معدنيين بشحنات معاكسة عليهما ، كما هو موضح في الشكل 4. تشير خصائص الموصلات في التوازن الكهروستاتيكي إلى أن المجال الكهربائي بين الألواح سيكون موحدًا في القوة والاتجاه. باستثناء بالقرب من الحواف ، توزع الشحنات الزائدة نفسها بشكل موحد ، مما ينتج خطوط مجال متباعدة بشكل موحد (ومن ثم تكون موحدة في القوة) ومتعامدة على الأسطح (ومن ثم تكون موحدة في الاتجاه ، لأن الصفائح مسطحة). تكون تأثيرات الحواف أقل أهمية عندما تكون الألواح قريبة من بعضها.

يتم عرض صفيحتين معدنيتين مشحنتين.  اللوحة السفلية لها شحنة سالبة واللوحة العلوية بها شحنة موجبة.  تبدأ خطوط المجال الكهربائي من اللوحة الموجبة وتدخل اللوحة السالبة التي تمثلها الأسهم.

الشكل 4. صفيحتان معدنيتان بشحنات زائدة متساوية لكن متقابلة. المجال بينهما موحد في القوة والاتجاه ما عدا بالقرب من الحواف. أحد استخدامات هذا المجال هو إنتاج تسريع موحد للشحنات بين الصفائح ، كما هو الحال في مسدس الإلكترون لأنبوب التلفزيون.

المجال الكهربائي للأرض

في الجزء أ ، كان الطفل يقود طائرة ورقية مع رجلين في حقل مفتوح في يوم مشمس مشرق.  في الجزء ب ، يظهر البرق فوق جسم مائي في طقس عاصف.

الشكل 5. المجال الكهربائي للأرض. (أ) مجال الطقس المعتدل. الأرض والأيونوسفير (طبقة من الجسيمات المشحونة) كلاهما موصلين. إنها تنتج مجالًا كهربائيًا موحدًا يبلغ حوالي 150 N / C. (الائتمان: حدائق DH) (ب) حقول العاصفة. في وجود سحب العاصفة ، يمكن أن تكون الحقول الكهربائية المحلية أكبر. في الحقول العالية جدًا ، تتكسر الخصائص العازلة للهواء ويمكن أن يحدث البرق. (الائتمان: جان جوست فيرهوف)

يحيط بالأرض مجال كهربائي شبه منتظم يبلغ حوالي 150 N / C ، موجه لأسفل ، مع زيادة طفيفة في الحجم كلما اقتربنا من السطح. ما الذي يسبب المجال الكهربائي؟ على ارتفاع حوالي 100 كيلومتر فوق سطح الأرض لدينا طبقة من الجسيمات المشحونة تسمى الأيونوسفير . الأيونوسفير مسؤول عن مجموعة من الظواهر بما في ذلك المجال الكهربائي المحيط بالأرض. في الطقس العادل ، يكون الغلاف الأيوني موجبًا والأرض سلبية إلى حد كبير ، مما يحافظ على المجال الكهربائي (الشكل 5 أ).

في ظروف العواصف تتشكل الغيوم ويمكن أن تكون الحقول الكهربائية المحلية أكبر وعكس اتجاهها (الشكل 5 ب). تعتمد توزيعات الشحنة الدقيقة على الظروف المحلية ، ومن الممكن حدوث اختلافات في الشكل 5 ب.

إذا كان المجال الكهربائي كبيرًا بدرجة كافية ، فإن خصائص العزل للمادة المحيطة تتفكك وتصبح موصلة. بالنسبة للهواء ، يحدث هذا عند حوالي 3 × 10 6 N / C. تتحد الأيونات والإلكترونات في الهواء ، ونحصل على تفريغ على شكل شرارات البرق وتفريغ الهالة.

المجالات الكهربائية على الأسطح غير المستوية

لقد درسنا حتى الآن الشحنات الزائدة على سطح موصل سلس ومتماثل. ماذا يحدث إذا كان للموصل زوايا حادة أو مدبب؟ تتركز الشحنات الزائدة على موصل غير منتظم عند النقاط الأكثر حدة. بالإضافة إلى ذلك ، قد تتحرك الشحنة الزائدة داخل أو خارج الموصل في أشد النقاط.

لمعرفة كيف ولماذا يحدث هذا ، ضع في اعتبارك الموصل المشحون في الشكل 6. التنافر الكهروستاتيكي للشحنات المتشابهة هو الأكثر فاعلية في تحريكها بعيدًا على السطح المسطح ، وبالتالي تصبح أقل تركيزًا هناك. هذا لأن القوى بين أزواج متطابقة من الشحنات في أي من طرفي الموصل متطابقة ، لكن مكونات القوى الموازية للأسطح مختلفة. يكون المكون الموازي للسطح أكبر ما يكون على السطح المسطح ، وبالتالي يكون أكثر فاعلية في تحريك الشحنة.

يتم إنتاج نفس التأثير على الموصل بواسطة مجال كهربائي مطبق خارجيًا ، كما هو موضح في الشكل 6 ج. نظرًا لأنه يجب أن تكون خطوط الحقل متعامدة على السطح ، يتركز الكثير منها على الأجزاء الأكثر انحناءًا.

في الجزء أ ، يظهر الموصل بشكل غير متماثل.  زوج متطابق من الشحنات على طرفي نقيض للموصل لهما مكونات قوى مماثلة ممثلة بالسهام.  في الجزء ب ، الجسم غير المتماثل له شحنة موجبة على سطحه.  تظهر خطوط المجال الكهربائي الخارجة بشكل عمودي من سطح الموصل ممثلة بسهم متجه.  في الجزء ج ، تظهر خطوط الحقل داخل وحول الموصل الذي يمتد من اليسار إلى اليمين.  السطح الأيسر للموصل له شحنة سالبة والسطح الأيمن به شحنة موجبة.  تدخل خطوط المجال وتغادر الموصل في الزوايا اليمنى.

الشكل 6. الشحنة الزائدة على موصل غير منتظم تصبح أكثر تركيزًا في موقع الانحناء الأكبر. (أ) القوى بين أزواج متطابقة من الشحنات في أي من طرفي الموصل متطابقة ، لكن مكونات القوى الموازية للسطح مختلفة. ومن أن يتحرك التهم باستثناء مرة واحدة أنها وصلت إلى السطح. (ب) هي الأصغر في الطرف الأكثر مدببة ، وتترك الشحنات أقرب من بعضها ، مما ينتج المجال الكهربائي الموضح. (ج) يكون الموصل غير المشحون في مجال كهربائي موحد أصلاً مستقطبًا ، وتكون الشحنة الأكثر تركيزًا عند نهايته الأكثر بروزًا.

تطبيقات الموصلات

يظهر موصل مخروطي ذو شحنة موجبة حيث تتراكم معظم الشحنات الموجبة عند الطرف.  تظهر خطوط المجال التي تمثلها الأسهم بزوايا قائمة من سطح الموصل في الاتجاه الخارجي.  تكون كثافة خطوط المجال أكبر عند طرف المخروط عنها في الأسطح الأخرى.

الشكل 7. الموصل المدبب له تركيز شحنة كبير عند النقطة. يكون المجال الكهربي قويًا جدًا عند النقطة ويمكنه أن يبذل قوة كبيرة بما يكفي لنقل الشحنة داخل أو إيقاف الموصل. تستخدم قضبان الصواعق لمنع تراكم الشحنات الزائدة الكبيرة على الهياكل ، وبالتالي تكون مدببة.

على سطح منحني بشكل حاد للغاية ، كما هو موضح في الشكل 7 ، تتركز الشحنات بشدة عند النقطة التي يمكن أن يكون المجال الكهربائي الناتج كبيرًا بما يكفي لإزالتها من السطح. يمكن أن يكون هذا مفيدًا.

تعمل قضبان الصواعق بشكل أفضل عندما تكون مدببة للغاية. تسبب الشحنات الكبيرة الناتجة عن السحب العاصفة شحنة معاكسة على المبنى يمكن أن تؤدي إلى صاعقة تضرب المبنى. يتم التخلص من الشحنة المستحثة باستمرار بواسطة مانعة الصواعق ، مما يمنع حدوث صاعقة أكثر دراماتيكية.

بالطبع ، نرغب أحيانًا في منع نقل الرسوم بدلاً من تسهيلها. في هذه الحالة ، يجب أن يكون الموصل سلسًا جدًا وأن يكون نصف قطر انحناءه كبيرًا قدر الإمكان. (انظر الشكل 8.) تُستخدم الأسطح الملساء في خطوط النقل ذات الجهد العالي ، على سبيل المثال ، لتجنب تسرب الشحنة إلى الهواء.

جهاز آخر يستخدم بعض هذه المبادئ هو قفص فاراداي . هذا درع معدني يحيط بمجلد. ستبقى جميع الشحنات الكهربائية على السطح الخارجي لهذا الدرع ، ولن يكون هناك مجال كهربائي بالداخل. يستخدم قفص فاراداي لمنع المجالات الكهربائية الشاردة في البيئة من التدخل في القياسات الحساسة ، مثل الإشارات الكهربائية داخل الخلية العصبية.

أثناء العواصف الكهربائية ، إذا كنت تقود سيارة ، فمن الأفضل البقاء داخل السيارة حيث يعمل جسمها المعدني كقفص فاراداي بدون مجال كهربائي بداخله. إذا كنت بالقرب من صاعقة ، فسيتم الشعور بتأثيرها على الجزء الخارجي من السيارة ولا يتأثر الداخل ، بشرط أن تظل داخل السيارة تمامًا. هذا صحيح أيضًا في حالة كسر سلك كهربائي نشط ("ساخن") (في عاصفة أو حادث) وسقط على سيارتك.

في الجزء (أ) ، يظهر مانع الصواعق على سطح المنزل.  في الجزء ب ، يلمس شخص الكرة المعدنية لفان دي غراف وشعره يقف.

الشكل 8. (أ) قضيب مانع للصواعق موجه لتسهيل نقل الشحنة. (الائتمان: Romaine، Wikimedia Commons) (ب) يتميز مولد Van de Graaff بسطح أملس مع نصف قطر كبير للانحناء لمنع نقل الشحنة والسماح بتوليد جهد كبير. يتجلى التنافر المتبادل بين الرسوم المتشابهة في شعر الشخص أثناء لمس الكرة المعدنية. (الائتمان: Jon 'ShakataGaNai' Davis / Wikimedia Commons).

ملخص القسم

  • يسمح الموصل بدفع رسوم مجانية للتنقل داخله.
  • ستؤدي القوى الكهربائية حول الموصل إلى تحريك الشحنات المجانية داخل الموصل حتى يتم الوصول إلى توازن ثابت.
  • سوف تتجمع أي شحنة زائدة على طول سطح الموصل.
  • ستجمع الموصلات ذات الزوايا أو النقاط الحادة شحنة أكبر في تلك النقاط.
  • قضيب الصواعق هو موصل ذو نهايات مدببة بشكل حاد يجمع الشحنة الزائدة على المبنى بسبب عاصفة كهربائية وتسمح لها بالتبدد مرة أخرى في الهواء.
  • تحدث العواصف الكهربائية عندما يصبح المجال الكهربائي لسطح الأرض في مواقع معينة مشحونًا بقوة أكبر ، بسبب التغيرات في تأثير العزل للهواء.
  • يعمل قفص فاراداي كدرع حول جسم ما ، ويمنع الشحنة الكهربائية من اختراق الداخل.

[zombify_post]