کتاب فیزیک سوم تجربی و ریاضی ، فیزیک یازدهم – فصل الکتریسیته ساکن

تدریس کامل مبحث الکتریسیته ی ساکن در کتاب فیزیک سوم تجربی و ریاضی و فیزیک یازدهم با جزوه و فیلم آموزشی رایگان در سایت خلایق

مبحث الکتریسیته ی ساکن یکی از مباحث مهم در کتاب فیزیک سوم تجربی ، کتاب فیزیک سوم ریاضی ، فیزیک یازدهم ، در مباحث فیزیک ۲ مهندسی دانشگاه ، درس الکترومغناطیس رشته مهندسی برق ، فیزیک ۲ و الکترومغناطیس و الکترودینامیک رشته فیزیک ، داوطلبان کنکور رشته تجربی و کنکور رشته ریاضی می باشد.

در این مقاله مطالب زیادی یاد خواهید گرفت. بارهای الکتریکی ، الکتریسیته ی ساکن ، قانون کولن ، تعریف خازن ، حفاظ فارادی ، آزمایشات فیزیک ۳ ، میدان الکتریکی ، فرمول میدان الکتریکی ، دوقطبی الکتریکی و ….

به خاطر داشته باشید که سوالات فیزیک الکتریسیته و مغناطیس جزء مباحث مهم فیزیک در کنکور هستند به همین دلیل به داوطلبان کنکور رشته تجربی و کنکور رشته ریاضی توصیه اکید می کنم حتما مطالب فیزیک الکتریسیته و مغناطیس را در این مقاله و مقالات دیگر سایت ما به دقت مطالعه کنند.

در این مقاله و مقالات مشابه سایت ، جزوه آموزش فیزیک سوم تجربی و ریاضی و به طور مشابه جزوه آموزش فیزیک یازدهم را ارائه کرده ایم.

در قسمت پایان مقاله حل مسائل فیزیک سوم دبیرستان موجود است. حل پرسش ها و حل مسائل فیزیک ۳ تجربی ، ریاضی و فیزیک یازدهم به صورت ویدئویی و رایگان در دسترس شما است.

جزوه آموزش فیزیک سوم تجربی : در فیلم زیر با ساختمان اتم ، بار الکتریکی و روش های انتقال آن آشنا می شوید:

کتاب فیزیک سوم تجربی : ساختمان اتم

برای آشنایی با مفهوم الکتریسیته ، اول باید با مفهوم بار الکتریکی آشنا شویم و برای فهم  بار الکتریکی ، اول باید ساختمان اتم را درک کنیم.

ساختمان اتم از دو قسمت اصلی تشکیل می شود:

در یک مدل خیلی ساده و نه چندان دقیق برای اتم – موسوم به مدل بور – الکترون ها بر روی مدارهایی کاملا مشخص به دور هسته فشرده اتم می چرخند.

تعداد الکترون های روی هر مدار ، دارای مقدار مشخصی است. در مدار اول حداکثر دو الکترون ، در مدار دوم حداکثر ۸ الکترون و همین طور تا آخر….قرارداد: بار الکترون منفی و بار پروتون مثبت است و اندازه ی بار آن ها با هم برابر است.

در یک اتم خنثی تعداد الکترون ها و پروتون ها با هم برابر است اما تعداد نوترون ها الزاما با آن ها برابر نیست.

اتم های یک جسم در اثر عوامل مختلف مثل مالش می توانند الکترون از دست بدهند یا الکترون به دست آورند. اما همین اتم ها نمی توانند به راحتی پروتون یا نوترون از دست بدهند چون این دو ذره با نیرویی بسیار قوی به هم چسبیده اند.

بار الکتریکی

در بعضی از اجسام خاصیتی به نام بار الکتریکی وجود دارد که منجر به جذب و دفع اجسام دیگر می شود. یکای آن کولن می باشد و آن را با را با حرف C نشان می دهیم.

منشا خاصیت بار الکتریکی ، به ساختمان اتم بر می گردد.

بار الکتریکی دو ذره ی الکترون و پروتون با هم برابر اما علامت آن ها مخالف هم است. مقدار بار برای هر یک از ذرات اصلی اتم به صورت زیر است:برای محاسبه ی بار منفی یک اتم ، باید تعداد الکترون های آن را در بار یک الکترون و برای محاسبه ی بار مثبت آن ، باید تعداد پروتون های آن را در بار یک پروتون ضرب نماییم.

برای محاسبه ی بار کل اتم ، باید بار مثبت و بار منفی آن را با هم جمع نماییم.

برای اتمی با n  الکترون و  m  پروتون ، بار مثبت و منفی برابر است با :نتیجه: برای یک اتم معمولی تعداد الکترون ها و پروتون ها با هم برابر است و در نتیجه بار خالص اتم صفر است. به چنین اتمی ، اتم خنثی می گوییم.سوال: ساختمان اتمی اجسام باردار چگونه است؟

پاسخ : در این اجسام ، تعداد الکترون ها بیشتر از پروتون ها و یا کم تر از آن ها است. به همین دلیل علاقمندند با گرفتن یا از دست دادن الکترون ، به آرایش اتم خنثای قبل یا بعد از خود برسند.

یک جسم را با توجه به رسانا یا نارسانا بودن آن می توان به یکی از روش های زیر باردار کرد:

روش مالش  ، روش تماس  ،  روش القا

روش مالش

بر اثر مالش دو جسم نارسانا با جنس های مخالف ، تعدادی الکترون از اتم های یکی کنده شده و به اتم های دیگری منتقل می شود. در این حالت جسمی که الکترون داده دارای بار مثبت و جسمی که الکترون گرفته دارای بار منفی می شود.

روش تماس

در این روش یکی از دو جسم باردار و دیگری بدون بار است. با تماس جسم باردار به جسم خنثی ، مقداری بار به آن منتقل می شود و جسم خنثی هم باردار می شود.

روش القا

در این روش ، تماسی بین اجسام وجود ندارد. بلکه در اثر نزدیک شدن یک جسم باردار به یک جسم رسانا در آن مقداری بار الکتریکی القا می شود.وقتی دو بار الکتریکی در مجاورت هم قرار می گیرند ، به هم نیرویی وارد می کنند که نیروی الکتریکی نام دارد . اگر دو بار هم نوع باشند ، این نیرو دافعه است. اگر غیر هم نوع باشند ، نیروی بین آن ها جاذبه است .

پس فراموش نکنید که : بارهای همنام همدیگر را دفع و بارهای ناهمنام یکدیگر را جذب می کنند.

قانون پایستگی بار

بار الکتریکی نه به وجود می آید نه از بین می رود بلکه از جسمی به جسم دیگر منقل می شود.

در زیر می توانید فیلم قانون کولن و نمونه سوالات قانون کولن با جواب را ببینید.

سوال : نیرویی که دو بار الکتریکی به هم وارد می کنند به چه عواملی بستگی دارد ؟

این دو مورد را می توانیم در قالب قانون کولن جمع بندی نماییم.

کتاب فیزیک سوم تجربی : قانون کولن 

قانون کولن – که گاهی به آن قانون کولمب هم می گویند – یکی از مهم ترین آزمایشات فیزیک ۳ و فیزیک یازدهم است که اولین بار توسط شارل کولن فرانسوی مطرح و به اثبات رسید.

این قانون یکی از مطالب فیزیک الکتریسیته و مغناطیس و از مباحث مهم فیزیک در کنکور است. در کنکور رشته تجربی و کنکور رشته ریاضی بارها به انحاء مختلف از آن تست مطرح شده است.

بیان ساده قانون کولن ( قانون کولمب ) به صورت زیر است:

فرمول قانون کولن برای دو بار نقطه ای به صورت زیر است :

مقدار k در محیط های مختلف با هم فرق دارد . در محیط هوا یا خلاء مقدار k برابر است با :

در ادامه به چند نکته ی مهم درباره قانون کولن اشاره می کنیم و تعدادی نمونه سوال قانون کولن با جواب ، ارائه می کنیم.

چند نکته درباره ی قانون کولن

بزرگی نیرویی که هر کدام از بارها به هم وارد می کنند با هم مساوی و جهت آن ها خلاف یکدیگر است .

دلیل این موضوع قانون سوم نیوتن است.

قانون سوم نیوتن می گوید نیروها به صورت جفتی وارد می شوند. اندازه این نیروهای کنش و واکنش برابر و جهت آن ها مخالف هم است.

ثابت k که در رابطه کولن دیده می شود مقداری است که از طریق آزمایش بدست می آید و در محیط های مختلف با هم فرق می کند .

                               

قرارداد: در این مقاله فرض بر این است که تمام آزمایش ها و اندازه گیری ها در محیط هوا یا خلاء انجام شوند

گاهی به جای دو بار ، چند بار داریم . در این حالت نیروی الکتریکی وارد بر هر بار برابر ، برآیند نیروهایی است که از طرف سایر ذرات بر آن وارد می شود . در این حالت باید بردار نیروهایی را که هر کدام از ذرات به آن وارد می کنند رسم کنیم و برآیند آن ها را حساب کنیم.دو بار فقط وقتی به هم نیرو وارد می کنند که حداقل یکی از آن ها در میدان الکتریکی دیگری قرار داشته باشد .

این موضوع را در تصویر زیر می توانید به وضوح ببینید:

نمونه سوالات فیزیک ۳ قانون کولن

مثال : سه ذره ی باردار مطابق شکل زیر در سه رأس مثلث قائم الزاویه ای ثابت شده اند. نیروی الکتریکی وارد بر ذره ای واقع در رأس مثلث قائم را محاسبه کنید .

مثال :سه ذره ی باردار مطابق شکل زیر در سه رأس مثلث قائم الزاویه ای ثابت شده اند . نیروی الکتریکی وارد بر ذره ای واقع در رأس مثلث قائم را محاسبه کنید .

جزوه آموزش فیزیک سوم تجربی : برای آشنایی با میدان الکتریکی ، فرمول میدان الکتریکی و حل مسائل آن به فیلم زیر توجه فرمایید:

در این مجموعه فیلم ها سعی کرده ایم برای فهم بهتر ، به بررسی آزمایشات فیزیک ۳ پرداخته و انواع نمونه سوالات قانون کولن با جواب را ارائه کنیم.

کتاب فیزیک سوم تجربی : میدان الکتریکی

سوال : هر کدام از این دو بار چطور حضور بار دیگر را حس می کند ؟

پاسخ : هر کدام از این بارها در اطراف خود خاصیتی ایجاد می کند که به آن میدان الکتریکی آن بار گفته می شود .

این میدان به هر بار دیگری که درون این میدان قرار می گیرد نیروی الکتریکی وارد می کند .

نتیجه : جسم ۱ فقط در صورتی می تواند به جسم ۲ نیروی الکتریکی ( یا گرانشی ) وارد کند که جسم ۲ در میدان آن قرار  داشته باشد یا خودش درون میدان جسم ۲ قرار گرفته باشد.

فرمول میدان الکتریکی

اکنون برای میدان الکتریکی یک فرمول به دست می آوریم. برای درک بهتر می توانید به فیلم بالا مراجعه کنید.

سوال : میدان الکتریکی در هر نقطه از فضای اطراف یک جسم باردار الکتریکی چگونه تعیین می شود؟

به این ترتیب اولین فرمول میدان الکتریکی را به صورت زیر بدست آوردیم:

نتیجه : بزرگی میدان الکتریکی حاصل از یک بار نقطه ای را می توانیم به وسیله ی یکی از این دو رابطه بدست آوریم :

بر هم نهی بارهای الکتریکی

هدف : محاسبه ی میدان الکتریکی حاصل از چند بار نقطه ای در یک نقطه

نتیجه : میدان الکتریکی ناشی از چند بار الکتریکی در نقطه ای از فضا ، برابر مجموع میدان هایی است که هر بار در نبود سایر بارها در آن نقطه از فضا ایجاد می کند .

نمونه ای از برهم نهی میدان های الکتریکی را می توان در دوقطبی الکتریکی مشاهده نمود. دوقطبی الکتریکی از دو بار الکتریکی هم اندازه و با بار مخالف تشکیل شده است که در فاصله ای از هم قرار گرفته اند.

کتاب فیزیک سوم ریاضی : برای آشنایی بیشتر با میدان الکتریکی و خطوط میدان الکتریکی ، فیلم زیر را ببینید:

خطوط میدان الکتریکی – بار الکتریکی در میدان

الف – خطوط میدان الکتریکی

برای تجسم میدان الکتریکی در فضای اطراف اجسام باردار ، از خط های جهت داری موسوم به خطوط میدان الکتریکی استفاده می کنیم .

ویژگی های خطوط میدان

خط های میدان در هر نقطه ، هم جهت با نیروی وارد بر بار آزمون مثبت واقع در آن نقطه اند در نتیجه ، جهت این خط ها برای بار مثبت رو به خارج و برای بار منفی رو به داخل است .میدان در هر نقطه ، برداری است مماس بر خط میدانی که از آن نقطه می گذرد و با آن خط میدان ، هم جهت است .

در هر ناحیه که میدان قوی تر باشد ، خط های میدان به یکدیگر نزدیک تر و فشرده ترند .

خط های میدان همدیگر را قطع نمی کنند . یعنی از هر نقطه فقط یک خط میدان می گذرد . به بیان دیگر در هر نقطه از فضا یک میدان الکتریکی وجود دارد که همان میدان الکتریکی برآیند است .

رسم خطوط میدان الکتریکی

خط های میدان از بار مثبت شروع و به بار منفی ختم می شوند.

تعداد خطوطی که از بار مثبت خارج می شوند یا به بار منفی می رسند متناسب با اندازه ی بار است.

از هر نقطه فقط یک خط می گذرد  یعنی هیچ دو خطی همدیگر را قطع نمی کنند.

جسم حامل بار به هر شکلی که باشد خطوط میدان بر سطح آن عمودند.

ب – نیروی وارد بر بار الکتریکی در میدان الکتریکی

کتاب فیزیک سوم ریاضی : در فیلم زیر با مفهوم مهم انرژی پتانسیل الکتریکی و مسائل و نکات آن آشنا خواهید شد:

کتاب فیزیک سوم تجربی : انرژی پتانسیل الکتریکی

یادآوری از گرانش : اگر جسمی را از پایین به بالا پرتاب کنیم ، زمین روی آن کار انجام می دهد . این کار ، همان کار نیروی وزن است . کاری که زمین روی این جسم انجام می دهد به صورت انرژی پتانسیل گرانشی در جسم ذخیره می شود .

در میدان الکتریکی

پاسخ : این انرژی جنبشی همان انرژی پتانسیلی است که به دلیل نیروی الکتریکی بین دو ذره ی آرایش ، در مجموعه ی آن ها ذخیره شده است .

پاسخ : بار به سمت صفحه ی منفی حرکت می کند  و انرژی جنبشی آن مرتبا زیاد می شود و انرژی پتانسیل الکتریکی آن کم می شود.

به میدان الکتریکی ناشی از بارهای ساکن ، میدان الکترواستاتیکی گفته می شود.

تغییر انرژی پتانسیل الکتریکی یک بار ذره ای در میدان الکتریکی یکنواخت

الف : تغییر انرژی پتانسیل الکتریکی الکترون در این جابجایی چه مقدار است ؟

ب : سرعت پرتاب الکترون را پیدا کنید .

باید ار قضیه ی کار و انرژی جنبشی استفاده کنیم.

قضیه ی کار و انرژی جنبشی

مجموع جبری کارهایی که روی یک جسم انجام انجام می شود برابر  است با تغییرات انرژی جنبشی جسم .از طرفی وقتی یک ذره باردار را در میدان الکتریکی جابجا می کنیم کار میدان الکتریکی روی ذره باردار برابر است با منفی تغییرات انرژی پتانسیل آن ذره.با استفاده از دو موردی که گفتیم جواب قسمت ب به صورت زیر در می آید:

انرژی پتانسیل گرانشی و انرژی پتانسیل الکتریکی هر دو از مباحث مهم کنکور تجربی و ریاضی هستند.

فیلم های آموزشی درسی فیزیک ۳ : پتانسیل الکتریکی

کتاب فیزیک سوم تجربی : پتانسیل الکتریکی چیست ؟

یادآوری : اگر در یک میدان الکتریکی بر روی یک ذره ی باردار کار انجام دهیم ، این کار می تواند به صورت انرژی پتانسیل الکتریکی ذخیره شود . این انرژی می تواند آزاد شده و به انرژی جنبشی تبدیل شود .

تغییر انرژی پتانسیل الکتریکی برای هر ذره ی باردار ( چه مثبت و چه منفی ) علاوه بر بزرگی میدان الکتریکی و جابجایی ذره ، به بار الکتریکی آن هم بستگی دارد .

به یکای ژول بر کولن ، اصطلاحا ولت گفته می شود.وقتی بار q درون میدان الکتریکی یکنواخت ، در جهت میدان از نقطه ۱ به نقطه ۲ می رود دچار اختلاف پتانسیلی می شود.

می توانیم ثابت کنیم این تغییر پتانسیل از رابطه زیر بدست می آید:

قرارداد : در تشابه با انرژی پتانسیل گرانشی ، در اینجا هم می توانیم برای انرژی پتانسیل الکتریکی مرجعی انتخاب کنیم . در نقطه ی مرجع ، انرژی پتانسیل الکتریکی ذره ی باردار صفر  و پتانسیل الکتریکی در آن نقطه هم صفر است .نتیجه : هر گاه بار الکتریکی مثبت در جهت میدان الکتریکی جابجا شود ، از پتانسیل الکتریکی بیشتر به انرژی پتانسیل الکتریکی کم تر رفته است .قرارداد : در مهندسی برق ، پتانسیل زمین یا نقطه ای از مدار را صفر می گیرند و به آن نقطه اصطلاحا نقطه ی زمین می گویند و پتانسیل نقطه های دیگر را نسبت به آن می سنجند .

مثال : اختلاف پتانسیل الکتریکی پایانه های باتری خودروی نشان داده شده در شکل ، برابر ۱۲ ولت است . اگر در مدت ۱۰ ثانیه بار الکتریکی ۵۰C- ، از پایانه ی منفی به پایانه ی مثبت باتری جابجا شود ، انرژی پتانسیل الکتریکی آن چقدر تغییر می کند؟

امیدوارم متوجه شده باشید که پتانسیل الکتریکی چیست .

کتاب فیزیک سوم تجربی : کار انجام شده توسط نیروی خارجی

فرض کنید یک ذره باردار در یک میدان الکتریکی یکنواخت به حال سکون قرار داشته باشد. این ذره را درون میدان جابجا کرده و مطابق شکل زیر از نقطه ۱ به نقطه ۲ برده و به حالت سکون در می آوریم. می خواهیم ببینیم برای کاری که بر روی ذره انجام داده ایم چه اتفاقی افتاده است.

برای این منظور از قضیه کار و انرژی جنبشی استفاده می کنیم.

این قانون می گوید : مجموع جبری کارهایی که بر روی یک جسم انجام می شود برابر است

با تغییرات انرژی جنبشی آن جسم.

بر روی ذره حاضر دو کار انجام می شود: کار میدان الکتریکی – کار خارجی که توسط ما بر روی آن انجام شده است.

نتایج محاسبات را در زیر می توانید ببینید:نتیجه :

اگر ذره ای با بار q در یک میدان الکتریکی به حال سکون قرار داشته باشد ، و آن را از یک نقطه به یک نقطه ی دیگر برده و به حال سکون در آوریم ، کاری را که ما روی بار انجام داده ایم به صورت انرژی پتانسیل الکتریکی در سامانه ی ذره و میدان ذخیره می شود .

فراموش نکنید که در اثبات بالا علاوه بر قضیه کار و انرژی جنبشی از قضیه کار و انرژی پتانسیل هم استفاده کرده ایم.

تذکر : در این رابطه علامت q باید در نظر گرفته شود .

فیلم های آموزشی درسی : در فیلم زیر می توانید نحوه توزیع و القای بار در رساناها و حفاظ فارادی – موسوم به قفس فارادی – را ببینید.

کتاب فیزیک سوم تجربی : توزیع و القای بار در رساناها

به جسم رسانایی که توسط عایقی از محیط خود جدا شده باشد ، رسانای منزوی می گوییم .

اگر به رسانای منزوی باری اضافه بدهیم یا این که در میدان الکتریکی خارجی قرار بگیرد ، پس از مدت زمان کوتاهی ( از مرتبه ی ده به توان منفی نه ثانیه ) میدان الکتریکی درون رسانا صفر می شود .

الف – رسانای باردار

باری که به یک جسم نارسانا داده می شود در یک جا ثابت می ماند و روی سطح آن پخش نمی شود به طور عکس باری که به یک جسم رسانا داده می شود در یک جا ثابت نمی ماند ، بلکه روی سطح آن پخش می شود.

آزمایش فارادی ( حفاظ فارادی )

روش کار به این صورت است که یک گلوله باردار را داخل یک حفاظ فلزی منزوی کرده و با کف آن تماس می دهیم و در را می بندیم. حالا در حفظ را باز کرده و گلوله را در آورده و با کلاهک الکتروسکوپ تماس می دهیم.

بر اثر تماس هیچ گونه اثری از بار در ورقه های الکتروسکوپ مشاهده نمی شود.

نتیجه

این آزمایش نشان می دهد بار اضافی یک رسانای منزوی روی سطح خارجی آن توزیع می شود . به عبارت دیگر وقتی گوی با ظرف تماس پیدا می کند مجموعه ی گوی و ظرف ، رسانای واحدی را تشکیل می دهند و بار موجود روی گوی ، بر روی تمام سطح ظرف پخش می شود .

ب – رسانای منزوی و خنثی در میدان الکتریکی خارجی

وقتی یک رسانای منزوی درون یک میدان الکتریکی قرار می گیرد . آرایش خطوط میدان را به طور کلی به هم می زند و الکترون های آزاد رسانا تحت تاثیر این میدان خارجی به حرکت در می آیند و روی سطح رسانا پخش می شوند . این الکترون های آزاد طوری روی سطح خارجی توزیع می شوند که اثر میدان خارجی را درون رسانا خنثی کنند و میدان خالص درون رسانا صفر شود .

اگر خطوط میدان بر سطح رسانا عمود نباشند ، میدان الکتریکی مولفه ای مماس بر سطح رسانا خواهد داشت و این مولفه باعث حرکت الکترون های آزاد بر سطح رسانا می گردد که در تناقض با شرط تعادل الکترواستاتیکی است .اگر رسانای مورد نظر شکل هندسی متقارنی نداشته باشد ، خطوط میدان خارجی طوری جهت گیری می کنند که بر سطح فلز عمود باشند .سوال : بارهای مثبت و منفی از کجا آمده اند ؟

پاسخ : این بارها روی سطح القا شده اند.

چون میدان الکتریکی درون رسانایی که در تعادل الکترواستاتیکی است صفر است و میدان روی سطح عمود بر این سطح رسانا است ، کار نیروی الکتریکی در هر جابجایی بار در داخل و روی سطح رسانا صفر است . در نتیجه همه ی نقاط داخل و روی سطح رسانا ، پتانسیل یکسانی دارند .

چگالی سطحی بار الکتریکی رسانا

چگالی سطحی بار ، برابر با بار الکتریکی روی سطح جسم رسانا ، بخش بر مساحت سطح آن جسم است.در اجسام رسانای غیر متقارن ، چگالی بار سطحی در نقاط نوک تیز سطح بیشتر از سایر نقاط است.

فیلم های آموزشی درسی : فیلم اول از سری فیلم های خازن

کتاب فیزیک سوم تجربی : آشنایی با خازن

خازن : وسیله ای است که می تواند بار الکتریکی و انرژی الکتریکی را در خود ذخیره کند .

کاربرد خازن : فلش دوربین – رادیو – تلویزیون – گوشی تلفن – رایانه و . . .

ساختمان خازن

در حالت کلی ساختمان اصلی خازن از دو تکه رسانا تشکیل می شود که می توانند به هر شکلی باشد.

خازن تخت

یک خازن تخت از دو رسانای موازی تشکیل شده که مساحت هر کدام A است و در فاصله ی d از هم قرار گرفته اند .

باردار کردن ( شارژ ) خازن

برای این که بتوانیم در یک خازن انرژی ذخیره کنیم ، باید آن را باردار کنیم .

شارش بار تا جایی ادامه می یابد که اختلاف پتانسیل میان دو صفحه ی خازن ، با اختلاف پتانسیل میان دو پایانه ی باتری یکسان شود.تمام نقاط هر صفحه پتانسیل یکسانی دارد و خطوط میدان الکتریکی بر این صفحه ها عمود است.وقتی یک خازن باردار می شود ، صفحه های آن دارای بارهایی با بزرگی یکسان ، ولی علامت مخالف می شود .

قرارداد:  بار خازن را با q ( بار موجود روی صفحه ی مثبت ) نشان می دهند .

ظرفیت خازن

به توانایی یک خازن در ذخیره ی بار الکتریکی ، ظرفیت خازن می گویند .

یادآوری : برای یک قطعه ی رسانا که در مدار قرار می گیرد ، نسبت اختلاف پتانسیل دو سر رسانا به جریانی که از آن می گذرد مقدار ثابتی است که مقاومت آن رسانا ، نامیده می شود .

به یکای کولن بر ولت اصطلاحا فاراد گفته و آن را با حرف F بزرگ نشان می دهیم.

کسی که در رشته مهندسی برق تحصیل کرده باشد از اهمیت خازن ها در صنعت برق و الکترونیک به خوبی آگاه است.

فیلم های آموزشی درسی : فیلم دوم از سری فیلم های خازن

کتاب فیزیک سوم تجربی : خازن با دی الکتریک

باید بدانید ظرفیت خازن به بار ذخیره شده روی آن و اختلاف پتانسیل دو سر آن بستگی ندارد بلکه به مشخصات ساختمانی خازن بستگی دارد. نسبت بار به اختلاف پتانسیل فقط یک مقدار ثابت است که برابر ظرفیت خازن می باشد. یعنی اگر یکی از دو کمیت بار یا اختلاف پتانسیل را تغییر دهیم آن دیگری طوری تغییر می کند که نسبتشان برابر ظرفیت خازن باقی بماند.

ظرفیت یک خازن تخت به ۴ عامل بستگی دارد :

مساحت صفحه های خازن

هر چه مساحت صفحات بزرگ تر باشد ، بار بیشتری روی آن ها جمع و ذخیره می شود.

فاصله ی دو صفحه از یکدیگر

هر چه فاصله ی صفحات کم تر باشد ، بار بیشتری روی صفحات ذخیره می شود.

جنس محیطی که خازن در آن قرار دارد

جنس دی الکتریک

وجود مواد عایق مختلف در بین صفحات باعث افزایش ظرفیت خازن می شود.ثابت دی الکتریک : نسبت ظرفیت خازن در حالتی که در بین صفحات آن دی الکتریک وجود داشته باشد ، به موقعی که بین صفحات آن دی الکتریک نیست ، ثابت دی الکتریک نامیده می شود .پس از توضیحاتی که دادیم رابطه ظرفیت خازن به این صورت در می آید:

ضریب دی الکتریک چند ماده مختلف را می توانید در جدول زیر ببینید:۰

نحوه ی عملکرد دی الکتریک در افزایش ظرفیت خازن

قبل از توضیح این موضوع باید با انواع دی الکتریک آشنا شوید:

دی الکتریک به دو دسته قطبی و غیر قطبی تقسیم می شود.

دی الکتریک های قطبی

دی الکتریک های قطبی آن هایی هستند که دارای مولکول قطبی اند. مثل آب و آمونیاک

وقتی یک دی الکتریک قطبی در یک میدان الکتریکی قرار می گیرد قطب مثبت آن در جهت میدان و قطب منفی آن در خلاف جهت میدان قرار می گیرد و در نتیجه این مولکول های قطبی می کوشند خود را با میدان هم جهت کنند ( شکل زیر )

هم ردیف شدن این مولکول های قطبی با میدان باعث ایجاد یک میدان الکتریکی جدید در جهت خلاف میدان اولیه شده و میدان الکتریکی اولیه را تضعیف می کند و همین موضوع باعث کاهش اختلاف پتانسیل و افزایش ظرفیت خازن می گردد ( شکل زیر ).

نتیجه ی ۱ : مولکول های دی الکتریک قطبی ، میدان بین دو صفحه ی خازن را تضعیف می کنند .

دی الکتریک های غیر قطبی

دی الکتریک های غیر قطبی هم باعث افزایش ظرفیت خازن می شوند .

وقتی مولکول های دی الکتریک غیرقطبی در میدان بین دو صفحه ی خازن قرار می گیرند بر اثر القاء ، قطبیده می شوند . یعنی میدان الکتریکی باعث می شود که ابر الکترونی این مولکول ها در خلاف جهت میدان جابجا شوند و به این ترتیب مرکز مولکول های مثبت و منفی از هم جدا می شوند و مولکول ها قطبی می شوند .

به همین دلیل این دی الکتریک ها هم ( مثل مولکول های دی الکتریک قطبی ) ، میدان بین دو صفحه ی خازن را تضعیف می کنند .

دی الکتریک ها و فرو ریزش الکتریکی

دی الکتریک ها علاوه بر افزایش ظرفیت خازن باعث افزایش حداکثر ولتاژ قابل تحمل خازن می شوند .

اگر میدان الکتریکی خارجی خیلی بزرگ باشد ، مولکول ها و اتم ها از جای خود کنده می شوند و ساختار فیزیکی دی الکتریک تغییر می کند . در این حالت اصطلاحا می گویند دی الکتریک دچار فرو ریزش الکتریکی شده است .

به بیشترین اختلاف پتانسیلی که دی الکتریک می تواند تحمل کند و بعد از آن دچار فرو ریزش می شود ، پتانسیل فروریزش می گویند .

بیشینه ی میدان الکتریکی که دی الکتریک می تواند بدون فرو ریزش تحمل کند را ، قدرت (استقامت) دی الکتریک می نامند .خازن ها معمولا با مقدار ظرفیت آن ها و اختلاف پتانسیل بیشینه ای که می توانند تحمل مشخص می شوند .

فیلم های آموزشی درسی : فیلم سوم از سری فیلم های خازن

کتاب فیزیک سوم تجربی : انرژی ذخیره شده در خازن

در بالا گفتیم وقتی یک خازن در مدار قرار می گیرد ، باتری شروع به شارژ کردن خازن می کند . در هنگام شارژ شدن خازن توسط باتری ، دائما باری جزئی از یک صفحه ی خازن جدا ، و به همان اندازه به صفحه ی دیگر منتقل می شود.

کار لازم برای انتقال این بار جزئی از رابطه زیر بدست می آید:

کار انجام شده برای باردار شدن کامل خازن

می توانیم ثابت کنیم کار کل انجام شده از رابطه زیر بدست می آید:

دو رابطه دیگر

با استفاده از رابطه ای که برای ظرفیت خازن معرفی کردیم می توانیم دو رابطه دیگر هم بدست آوریم.مثال : دو سر یک خازن ۰/۰۵ میکروفارادی را به ولتاژ ۱۲V وصل می کنیم . بار و انرژی ذخیره شده در آن را محاسبه کنید .

نکته : گاهی شرایط خازن به گونه ای است که در آن یکی از کمیت های C ، V   و q همواره ثابت است . در این حالت اگر ساختمان خازن را تغییر دهیم ، آن کمیت ثابت می ماند اما سایر کمیت ها تغییر می کنند و ظرفیت و انرژی ذخیره شده در خازن تغییر می کند .

مثال : خازنی به ظرفیت ۶ میکرو فاراد به یک باتری ۲۴ ولتی وصل است . بدون این که آن را از باتری جدا کنیم فاصله ی بین صفحات خازن را دو برابر می کنیم . کدام یک از این کمیت ها تغییر می کنند؟

الف : اختلاف پتانسیل خازن

ب: ظرفیت خازن

ج :  بار ذخیره شده روی صفحات

د : انرژی پتانسیل ذخیره شده در خازن

پاسخ الف: چون خازن به باتری وصل است تحت هر شرایطی اختلاف پتانسیل دو سر آن ثابت می ماند .

مثال : یک خازن را توسط یک باتری پر می کنیم و از باتری جدا می کنیم . اگر در بین صفحات خازن دی الکتریکی از جنس میکا قرار دهیم :

الف : بار روی صفحات     ب: ظرفیت خازن        ج- انرژی الکتریکی ذخیره شده در خازن چه تغییری می کنند ؟ ( ضریب دی الکتریک میکا =۷ )

پاسخ الف : بار روی صفحات خازن ثابت می ماند.

انرژی ذخیره شده در خازن ها از مباحث مهم کنکور تجربی و ریاضی در سال های قبل بوده است.

فیلم های آموزشی درسی : به هم بستن موازی خازن ها

کتاب فیزیک سوم تجربی : بهم بستن موازی خازن ها

هر گاه چند خازن را به هم وصل کرده و یک خازن با ظرفیت جدید بدست آوریم ، به خازن اخیر ، خازن معادل و به ظرفیت آن ، ظرفیت معادل می گوییم .

انرژی ذخیره شده در خازن معادل برابر مجموع انرژی تک تک خازن ها است .نتیجه : هر گاه تعدادی خازن به طور موازی به هم وصل شده باشند ، ظرفیت خازن معادل برابر است با مجموع ظرفیت تک تک خازنها.

حالت خاص :

در صورتی که n خازن مشابه به طور موازی به هم وصل شده باشند ، ظرفیت معادل برابر است با تعداد خازن ها ضرب در ظرفیت یک خازن .

مثال : ظرفیت معادل بین پایانه های A و B را در شکل زیر بدست آورید .

سوالات فیزیک الکتریسیته و مغناطیس : اتصال خازن ها به صورت متوالی و ترکیبی

کتاب فیزیک سوم تجربی : بهم بستن متوالی و ترکیبی خازن ها

الف:  بستن خازن ها به صورت متوالی

مثال : شکل زیر دو خازن را نشان می دهد که به یک باتری ۳ ولتی وصل شده اند .

الف : ظرفیت ، بار و انرژی خازن معادل را محاسبه کنید .

ب –  اتصال ترکیبی خازن ها

گاهی خازن ها را به صورت ترکیبی از روش های موازی و متوالی می بندند . در این حالت اول باید خازن هایی را که با هم موازی یا متوالی اند دسته دسته جدا کنیم و سپس خازن معادل آن ها را حساب کنیم .

مثال : شکل زیر ۸ خازن را نشان می دهد که به صورت مجموعه ای از اتصال های متوالی و موازی به هم بسته شده اند .

الف : ظرفیت خازن معادل بین پایانه های A و B را در شکل محاسبه کنید .

ب : اگر پایانه های A و B را به یک باتری با ولتاژ ۱۲ ولت وصل کنیم چه مقدار انرژی در دستگاه خازن ها ذخیره می شود ؟

تمرین : در شکل زیر ، ظرفیت خازن معادل را بدست آورید .

حل مسائل فیزیک ۳ تجربی و ریاضی و پایه یازدهم مبحث الکتریسیته : پرسش ها

حل مسائل فیزیک سوم دبیرستان : مسائل

برای آشنایی بیشتر با مباحث مهم کنکور تجربی و ریاضی ، مقالات دیگر ما را در این سایت مطالعه فرمایید.

تدریس کامل مبحث الکتریسیته ی ساکن در کتاب فیزیک سوم تجربی و ریاضی و فیزیک یازدهم با جزوه و فیلم آموزشی رایگان در سایت خلایق

 کتاب فیزیک سوم تجربی , فیزیک یازدهم , جزوه آموزش فیزیک سوم تجربی , حل مسائل فیزیک سوم دبیرستان , حل مسائل فیزیک ۳ تجربی , قانون کولن , آزمایشات فیزیک ۳ , سوالات فیزیک الکتریسیته و مغناطیس , فیزیک الکتریسیته و مغناطیس , مباحث مهم فیزیک در کنکور , دوقطبی الکتریکی , فرمول میدان الکتریکی , کنکور رشته تجربی , کنکور رشته ریاضی , رشته مهندسی برق , نمونه سوالات فیزیک ۳ قانون کولن , نمونه سوالات قانون کولن با جواب , قانون کولمب , قانون سوم نیوتن , پتانسیل الکتریکی چیست , مباحث مهم کنکور تجربی , فیلم های آموزشی درسی , انرژی پتانسیل گرانشی , حفاظ فارادی , کتاب فیزیک سوم ریاضی