الكهرباء الساكنة

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

الفصل الأول

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الفهرس

(1-1) الشحنة الكهربائية

(2-1) القوة الكهربائية

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

(1-1)

الشحنة الكهربائية

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

تجربة استهلالية

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

عند دلك مسطرة بلاستيكية بقطعة صوف ، ثم تقريبها من قصاصات ورقية

تجربة استهلالية

تنجذب بعض قصاصات الورق إلى المسطرة

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

مقدمة

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

أجرى بنيامين فرانكلين عام 1752م تجربة على طائرة ورقية وربط مفتاحاً في عاصفة رعدية فلاحظ :

مقدمة

(1) ألياف الخيط الرخوة أنتصبت .

(2) حدوث شرارة عند  تقريب أصبعه .

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

الكهرباء الساكنة

(الكهروسكونية)

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

هي دراسة الشحنات الكهربائية التي تتجمع وتحتجز في مكان ما . مثل :

الكهروسكونية

(1) دلك مسطرة بلاستيكية  بقطعة صوف وتقريبها  من قصاصات ورق

(2) المشي على سجادة وتوليد شرارة عند لمس شخص أو أي فلز

(3) انجذاب الشعر نحو المشط عند التمشيط في يوم جاف

(4) انتصاب الشعر بعد  دلكه ببالون

(5) التصاق اجوارب أحياناً ببعضها بعد اخراجها من مجفف الملابس

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

الأجسام المشحونة

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الفرق بين قوة الجذب وقوة الجاذبية الارضية على المسطرة وقصاصات الورق :

الأجسام المشحونة

(1) تسارع القصاصات  إلى أعلى بمقدار  أكبر من تسارعها  إلى أسفل

(2) لا تنجذب إلى المسطرة إلا بعد دلك المسطرة

(3) المسطرة تفقد خاصية  الجذب هذه بعد  فترة قصيرة

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

* لاحظ قدماء الإغريق  آثاراً مماثلة للمسطرة على العنبر (الكهرمان)

الأجسام المشحونة

* تسمى خاصية الجذب (الكهرباء)

* الاجسام المشحونة : الاجسام التي تبدي تفاعلاً كهربائياً بعد الدلك

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

الشحنات المتماثلة

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الجسمين اللذين لهما النوع نفسه من الشحنة يتنافران

الشحنات المتماثلة

وإذا انتظرت فترة من الزمن وخصوصاً الطقس الرطب فستجد أن الشحنة الكهربائية قد اختفت

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

الشحنات المختلفة

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الشحنتين المختلفتين سيتجاذبان إلى أنهما لن يبقيا مشحونين فترة طويلة لأنهما سيلتصقان معاً

الشحنات المختلفة

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

التجريب بالشحنات

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

يختلف تفاعلات الاجسام المشحونة مع الأشرطة اللاصقة

التجريب بالشحنات

والدلك بمواد مختلفة مثل الحرير الصوف والأغلفة البلاستيكية

فستجذب معظم الاجسام المشحونة أحد الشريطين وتتنافر مع الآخر ، والاصابع تجذب كلا الشريطين

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

أنواع الشحنات

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

لا يوجد إلا نوعان من الشحنات أطلق عليها العالم بنيامين فرانكلين :

أنواع الشحنات

(1) الشحنة السالبة : (المطاط – البلاستيك)

(2) الشحنة الموجبة : (الزجاج – الصوف)

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

الصورة المجهرية للشحنة

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

توجد الشحنات الكهربائية في الذرات

اكتشف العالم طومسون عام 1897م أن المواد جميعها تحتوي على جسيمات صغيرة جدأ سالبة الشحنة تسمى (الإلكترونات)

واكتشف ارنست رذرفورد تلميذ طومسون أن هناك جسماً مركزياً ذا شحنة تتركز فيه كتلة الذرة يسمى (النواة)

يمكن إزالة إلكترونات المدارات الخارجية للذرات المتعادلة بإضافة طاقة إليها

وعندها تصبح هذه الذرات التي تفقد إلكترونات موجبة الشحنة

وإن ارتبط مع ذرات أخرى متجه جسيمات سالبة الشحنة

الشحنة

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

فصل الشحنة

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

إن الشحنة محفوظة أي أن الشحنات المفردة لا يمكن أن تفنى أو تستحدث بل تفصل :

فصل الشحنات

(1) إطارات سيارة أو  شاحنة متحركة

(2) السحب الرعدية تجعل أسفل السحابة سالبة الشحنة وأعلاه موجب

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

الموصلات والعوازل

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

المادة العازلة :

الموصلات والعوازل

هي المادة التي لا تنتقل خلالها الشحنة بسهولة

مثل (الزجاج-الخشب الجاف-ومعظم المواد البلاستيكية-الملابس الجافة)

المادة الموصلة :

هي المادة التي تسمح بانتقال الشحنات خلالها بسهولة

مثل(الفلزات)

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

عندما يصبح الهواء موصلاً

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

يعد الهواء عازلاً إلا أنه تحت ظروف معينة تتحرك الشحنات خلاله كما لو كان موصلاً ، فعندما تكون الشحنات كبية وزائدة تفصل الإلكترونات من جزيئات الهواء مثل :

هل الهواء موصل؟

(1) شرارة كهربائية : في حالة إصبعك ومقبض الباب الفلزي

(2) البرق : تفريغ الشحنات  بين الأرض والسحب الرعدية

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

(2-1)

القوة الكهربائية

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

مقدمة

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

* القوة الكهربائية قوة كبيرة جداً

(يمكن  أن تنتج تسارع  أكبر من تسارع  الجاذبية الأرضية)

مقدمة

* تنتج قوة تجاذب  أو قوة تنافر

(أما قوة الجاذبية الأرضية فتكون قوة جذب فقط)

* تخضع لقانون التربيع العكسي

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

القوى المؤثرة في الأجسام المشحونة

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

من تجارب الاشرطة اللاصقة وسلوك القطبان المشحونة:

القوة المؤثرة

* هناك نوعان من  الشحنات الكهربائية (موجبة  وسالبة)

* تؤثر الشحنات بعضها  في بعض بقوى  عن بُعد

* تكون القوة اكبر عندما تكون الشحنات متقاربة

* الشحنات المتشابهة تتنافر ، والشحنات المختلفة تتجاذب

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

الكشاف الكهربائي

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

يتركب من قرص فلزي مثبت على ساق فلزي متصل بقطعتين فلزيتين خفيفتين رقيقتين تسميان الورقتين . ونتائج الكشف عن الشحنات هي :

الكشاف الكهربائي

(1) تنفرج الورقتان:

(في  حالة الشحنات المتماثلة)

(2) الزيادة أو النقص  في انفراج الورقتان:

(متماثلة  – مختلفة)

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

الشحن بالتوصيل

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

عند ملامسة قضيب مشحون بشحنة سالبة قرص كشاف كهربائي تنتقل الإلكترونات منه إلى القرص وتتوزع

الشحن بالتوصيل

هو شحن الاجسم المتعادل بملامسته جسماً آخر مشحوناً

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

فصل الشحنات على الاجسام المتعادلة

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

عند تقريب جسم(1) مشحون بشحنة موجبة مثلاً إلى جسم(2) متعادل كهربائياً

فصل الشحنات

ستنجذب الشحنات السالبة في الجسم(2)

وتتنافر الشحنات الموجبة في الجسم(2)

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

الشحن بالحث

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

عند تقريب كرتين فلزيتين متماثلتين متعادلتين ومعزولتين قد تلامستا

الشحن بالحث

ثم تقريب قضيب مشحون

ثم فصل الكرتين

ستشحنان بشحنتين متساويتين ومختلفتين في النوع

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

التأريض

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

وهو عملية توصيل الجسم بالأرض للتخلص من الشحنات الفائضة

التأريض

ويمكن استخدام التأريض كمصدر للإلكترونات

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

قانون كولوم

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

(1) تعتمد القوة الكهربائية على المسافة :

قانون كولوم

أن القوة الكهربائية بين الكرتين تتناسب عكسياً مع مربع المسافة بين مركزيهما

F α ___

1

r2

القوة الكهربائية

(N)

البعد بين الشحنتين

(m)

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

قانون كولوم

(2) تعتمد القوة الكهربائية على مقدار الشحنة :

أن القوة الكهربائية تتناسب طردياً مع مقدار شحنتين الجسمين

F α qA qB

شحنة الجسم

(C)

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

تعريف قانون كولوم

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

إن مقدار القوة الكهربائية المتبادلة بين الشحنات (qA) و (qB) اللتين تفصلهما مسافة مقدارها (r) يتناسب طردياً مع مقدار كل من الشحنتين و عكسياً مع مربع المسافة بينهما :

التعريف

F α _____

qA qB

r2

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

إن مقدار القوة الكهربائية المتبادلة بين الشحنات (qA) و (qB) اللتين تفصلهما مسافة مقدارها (r) يتناسب طردياً مع مقدار كل من الشحنتين و عكسياً مع مربع المسافة بينهما :

قانون كولوم

F = K _____

qA qB

r2

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

واحد كولوم =

مقدار شحنة (6.24x1018) إلكترون أو بروتون

ثوابت مهمة

شحنة الإلكترون =

(1.6x10-19 C) (شحنة الإلكترون الأساسية)

ثابت كولوم (K) =

(9.0x109 N.m2/C2)

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

الكهرباء الساكنة

تطبيقات القوى الكهروسكونية

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

(1) تجميع السناج من المداخن

التطبيقات

(2) شحن قطرات الطلاء الصغيرة جداً بالحث

(3) لوضع الحبر الأسود على الورق

(4) تجنب تراكم الشحنة الساكنة

ف

خ

العنوان الحركة على خط مستقيم

أ. رائد علي بابنجي

70. المذياع يتم تشغيل مذياع ببطارية جهدها 9.0 V، بحيث تزوده بتيار مقداره 50.0 mA.

a. إذا كان ثمن البطارية 10 ريالات، وتعمل لمدة 300.0 h فاحسب تكلفة كل kWh تزودنا به هذه البطارية عند تشغيل المذياع هذه الفترة.

74/kWh ريال

b. إذا تم تشغيل المذياع نفسه بواسطة محول موصول بدائرة المنزل، وكان ثمن الكيلوواط. ساعة 0.12 ريال، فاحسب تكلفة تشغيل المذياع مدة 300 h.

0.02 ريال

مراجعة عامة

71. يمر تيار مقداره 1.2 A في مقاوم مقداره 50.0 Ω مدة 5.0 min، احسب مقدار الحرارة المتولدة في المقاوم خلال هذه الفترة؟

2.2×104 J

72. وصل مقاوم مقداره 6.0 Ω ببطارية جهدها 15 V

a. ما مقدار التيار المار في الدائرة؟

V= IR

I= V

R

=2.5 A

b. ما مقدار الطاقة الحرارية الناتجة خلال 10.0 min؟

Q= E = I2Rt = 2. 3×104J

73. المصابيح الكهربائية تبلغ مقاومة مصباح كهربائي متوهج 10.0 Ω قبل إنارته، بتوصيله بمصدر جهد مقداره 120 V. أجب عن الأسئلة التالية:

a. ما مقدار التيار الذي يمر في المصباح عند إنارته؟

I= V

R

=3 A

b. ما مقدار التيار الذي يمر في المصباح لحظة إنارته (التيار اللحظي)؟

I= V

R

=12A

c. متى يستهلك المصباح أكبر قدرة كهربائية؟

في اللحظة التي يشغل فيها.

74. يستخدم مقاوم متغير للتحكم في سرعة محرك كهربائي جهده 12 V، عند ضبط المقاوم ليتحرك المحرك بأقل سرعة يمر فيه تيار مقداره 0.02 A. وعندما يضبط المقاوم ليتحرك المحرك بأكبر سرعة يمر فيه تيار مقداره 1.2 A، ما مدى المقاوم المتغير؟

مقاومة أصغر سرعة هي R=V/I = 600Ω

مقاومة أكبر سرعة هي R=V/I = 1×10 Ω

المدى من 1×101 Ω إلى 600 Ω

75. يشغل محرك كهربائي مضخة توزيع الماء في مزرعة بحيث تضخ 1.0 × 104 L من الماء رأسياً إلى أعلى مسافة 8.0 m في كل ساعة. فإذا وصل المحرك بمصدر جهد مقداره 110 V، وكانت مقاومته في أثناء تشغيله 22.0 Ω فما مقدار:

a. التيار المار في المحرك؟

V= IR = 5 A

b. كفاءة المحرك؟

Ew= mgd = 8×105 J

Em = IVt= 2×106 J

الكفاءة=

Ew ×100

Em    

=40%

76. ملف تسخين مقاومته 4.0 Ω، ويعمل على جهد مقداره 120 V، أجب عما يلي:

a. ما مقدار التيار الكهربائي المار في الملف عند تشغيله؟

V= IR

I= V

R

=3×10 A

b. ما مقدار الطاقة الواصلة إلى الملف خلال 5.0 min؟

E= I2Rt = 1.1×106J

.c إذا غُمر الملف في وعاء عازل يحتوي على 20.0 kg من الماء فما مقدار الزيادة في درجة حرارة الماء؟ افترض أن الماء امتص الحرارة الناتجة بنسبة 100 %.

∆T=  Q 

mC

=13̊C

d. إذا كان ثمن الكيلوواط. ساعة 0.08 ريال فما تكلفة تشغيل الملف 30 min            في اليوم مدة 30 يوماً؟

4.4  ريال

77. التطبيقات مدفأة كهربائية تصل قدرتها إلى 500 W، أجب عما يلي:

a. ما مقدار الطاقة الواصلة إلى المدفأة في نصف ساعة؟

E= Pt = 9×105 J

b. تستخدم المدفأة لتدفئة غرفة تحتوي على 50 kg من الهواء، فإذا كانت الحرارة النوعية للهواء 1.10 kJ/kg.ºC، و 50% من الطاقة الحرارية الناتجة تعمل على تسخين الهواء في الغرفة، فما مقدار التغير في درجة هواء الغرفة خلال نصف ساعة؟

Q= mC∆T

∆T=  Q 

mC

=8̊C

c. إذا كان ثمن الكيلوواط. ساعة 0.08 ريال، فما تكلفة تشغيل المدفأة 6.0 h في اليوم مدة 30 يوماً؟

7 ريالات

التفكير الناقد

78. تصميم النماذج ما مقدار الطاقة المخزنة في مكثف؟ يعبر عن الطاقة اللازمة لزيادة فرق الجهد للشحنة q بالعلاقة: E = qV، ويحسب فرق الجهد في مكثف بالعلاقة: V = q/C. لذا فإنه كلما زادت الشحنة على المكثف يزداد فرق الجهد، ومن ثم فإن الطاقة اللازمة لإضافة شحنة عليه تزداد. إذا استخدم مكثف سعته الكهربائية 1.0 F بوصفه جهازاً لتخزين الطاقة في حاسوب شخصي فمثل بيانياً فرق الجهد V عند شحن المكثف بإضافة شحنة مقدارها5.0 C  إليه. ما مقدار فرق الجهد بين طرفي المكثف؟ إذا كانت المساحة تحت المنحنى تمثل الطاقة المخزنة في المكثف فأوجد هذه الطاقة بوحدة الجول، وتحقق مما إذا كانت تساوي الشحنة الكلية مضروبة في فرق الجهد النهائي. وضح إجابتك.

الجهد:

V= Q = 5 C =5V

C    1 F        

الطاقة:

E = 0.5×5V×5C = 13 J

لا. بيانياً، الشحنة الكلية مضروبة في فرق الجهد النهائي تساوي ضعف المساحة تحت المنحني تماماً. وفيزيائياً هذا يعني أن كل كولوم يحتاج إلى كمية الطاقة القصوى نفسها لتخزينها في المكثف. وفي الواقع تزداد كمية الطاقة اللازمة لإضافة كل شحنة كلما تراكمت الشحنة في المكثف.

79. تطبيق المفاهيم يعمل فرن ميكروويف على فرق جهد 120 V، ويمر فيه تيار مقداره 12 A، إذا كانت كفاءته الكهربائية (تحويل AC إلى أشعة ميكروويف) 75 %، وكفاءة تحويله أشعة الميكروويف إلى حرارة تستخدم في تسخين الماء أيضاً 75 % فأجب عما يلي:

b. اشتق معادلة لمعدل الزيادة في درجة الحرارة (∆T/s) لمادة موضوعة في الميكروويف مستعيناً بالمعادلة ∆Q = mC∆T، حيث تمثل ∆Q التغير في الطاقة الحرارية للمادة، و m كتلتها، وC حرارتها النوعية، و∆T التغير في درجة حرارتها.

T  =   1    ∆Q∆

∆t      mC    ∆t

C. استخدم المعادلة التي توصلت إليها لإيجاد معدل الارتفاع في درجة الحرارة بوحدة سلسيوس لكل ثانية، وذلك عند استخدام هذا الفرن لتسخين 250 g من الماء إلى درجة حرارة أعلى من درجة حرارة الغرفة.

∆T =   1   .  ∆Q

∆t     mC      ∆t

=0.78̊C/s

d. راجع حساباتك جيداً وانتبه إلى الوحدات المستخدمة، وبين ما إذا كانت إجابتك صحيحة.

تختصر وحدة kg ووحدة J، لينتج ̊C/s

e. ناقش بصورة عامة الطرائق المختلفة التي يمكنك بها زيادة كفاءة تسخين الميكروويف؟

من المحتمل إيجاد طريقة أخرى مختلفة لتحويل الطاقة الكهربائية إلى إشعاع تكون أكثر فاعلية، ومن المحتمل تحسين عملية تحويل أشعة الميكروويف إلى طاقة حرارية عند استخدام ترددات مختلفة للإشعاع الكهرومغناطيسي.

f. ناقش لماذا يجب عدم تشغيل أفران الميكروويف وهي فارغة؟

الفرن الفارغ يعني أن طاقة الميكرويف ستتبدد في الفرن. وهذا قد يؤدي إلى مزيد من السخونة لأجزاء الفرن، ومن ثم تلفها.

80. تطبيق المفاهيم تتراوح أحجام مقاومة مقدارها 10 Ω بين رأس دبوس إلى وعاء حساء. وضح ذلك.

يحدد الحجم الفيزيائي للمقاوم حسب قدرتها. فالمقاومات المقدرة عند 100W أكبر كثيراً من تلك المقدرة عند 1W.

81. إنشاء الرسوم البيانية واستخدامها الرسم البياني للصمام الثنائي (الدايود) الموضح في الشكل 3-15 أكثر فائدة من رسم بياني مشابه لمقاوم يحقق قانون أوم. وضح ذلك.

المنحني البياني فولت-أمبير للمقاوم الذي يحقق قانون أوم عبارة عن خط مستقيم ونادراً ما يكون ضرورياً.

الكتابة في الفيزياء

82. هناك ثلاث أنواع من المعادلات التي تواجهها في العلوم: (1) التعريفات، (2) القوانين، (3) الاشتقاقات. ومن الأمثلة عليها: (1) الأمبير الواحد يساوي كولوم واحد لكل ثانية. (2) القوة تساوي الكتلة مضروبة في التسارع. (3) القدرة الكهربائية تساوي مربع الجهد مقسوماً على المقاومة. اكتب صفحة واحدة توضح فيها متى تكون العلاقة "المقاومة تساوي الجهد مقسوماً على التيار" صحيحة. قبل أن تبدأ البحث في التصنيفات الثلاثة للمعادلات المعطاة أعلاه.

الأجهزة التي تحقق قانون أوم يتناسب هبوط الجهد فيها طردياً مع التيار المار في الجهاز، وأن الصيغة الرياضيةR= V/I ، وهي تعريف المقاومة، مشتقة من قانون أوم.

83. تتمدد المادة عند تسخينها. ابحث في العلاقة بين التمدد الحراري وأسلاك التوصيل المستخدمة لنقل الجهد العالي.

أسلاك نقل القدرة الكهربائية تصبح ساخنة بمقدار كافٍ لكي يتمدد وترتخي عندما يمر فيها تيارات كبيرة. وتصبح هذه الأسلاك المرتخية خطيرة إذا لامست أجساماً أسفل منها، كالأشجار أو خطوط قدرة أخرى.

مراجعة تراكمية

84. تبعد شحنة مقدارها +3.0 × 10-6 C مسافة 2.0 m عن شحنة أخرى مقدارها 10-5 C +6.0 ×، احسب مقدار القوة المتبادلة بينهما.

F= k qAqB

d2 

=0.41 N