الكهرباء الساكنة - المشاكل والحلول
القوة الكهربائية
1. النقطة أ في مجال كهربائي . مقدار المجال الكهربائي عند النقطة أ = 0.5 نيوتن/ كولوم . إذا وُضعت شحنة مقدارها 0.25 كولوم عند النقطة أ، فما مقدار القوة الكهربائية المؤثرة على الشحنة؟
معروف :
المجال الكهربائي عند النقطة A = 0.5 NC -1
الشحنة الكهربائية عند النقطة أ = 0.25 كولوم
مطلوب: قوة كهربائية
الحل:
F = q E
F = (0.25 C)(0.5 NC -1 )
إ = 0.125 نيوتن
2. شحنتان مقدار كل منهما 5 كولوم و4 كولوم تفصل بينهما مسافة 3 أمتار. إذا كان ثابت كولوم يساوي 9 × 10⁹ نيوتن متر² / كولوم² ، فما مقدار القوة الكهربائية المؤثرة على الشحنتين؟
معروف :
الشحنة 1 (q 1 ) = 5 كولوم
الشحنة 2 (q 2 ) = 4 كولوم
المسافة بين الشحنة 1 والشحنة 2 (r) = 3 أمتار
ثابت كولوم (k) = 9 × 10⁹ نيوتن متر² كولوم⁻²
المطلوب: مقدار القوة الكهربائية (F)
الحل:
3. تم فصل الشحنات الكهربائية +q1 = 10 ميكروكولوم، +q2 = 20 ميكروكولوم، وq3 ، كما هو موضح في الشكل أدناه. إذا كانت القوة الكهربائية المؤثرة على الشحنة q2 تساوي صفرًا، فما مقدار الشحنة q3 ؟
معروف :
الشحنة الثانية (q 1 ) = 10 ميكروكولوم = 10 × 10⁻⁶ كولوم
الشحنة الثانية (q 2 ) = 20 ميكروكولوم = 20 × 10⁻⁶ كولوم
المطلوب: ما هي شحنة q 3؟
الحل:
هناك قوتان تؤثران على +q 2.
القوة الأولى هي قوة التنافر بين الشحنة +q 1 والشحنة +q 2 وهي F 12 ، باتجاه اليمين.
إذا كانت القوة الكهربائية المحصلة تؤثر على q 2 = 0، فإن q 3 يجب أن تكون سالبة.
القوة الثانية هي قوة الجذب بين الشحنة +q 2 و -q 3 وهي F 23 ، باتجاه اليسار.
تؤثر كلتا هاتين القوتين على q 2 ، ولهما نفس المقدار ولكن في اتجاهين متعاكسين.
تؤثر القوة المحصلة على +q 2 = 0.
4. ثلاث شحنات q1 و q2 وq3 تقع على خط مستقيم. إذا كانت q1 = 5.0 ميكروكولوم وd = 30 سم، فما مقدار واتجاه القوة الكهربائية المؤثرة على الشحنة q1؟
معروف :
الشحنة الثانية (q 1 ) = 30 ميكروكولوم = 30 × 10⁻⁶ كولوم
الشحنة الثانية (q 2 ) = 60 ميكروكولوم = 60 × 10⁻⁶ كولوم
الشحنة 3 (q) = 5 ميكروكولوم = 5 × 10⁻⁶ كولوم
المسافة بين q 1 و q = d
المسافة بين q 2 و q = 2d
د = 30 سم = 0.3 متر
د² = (0.3) ² = 0.09
ثابت كولوم (k) = 9 × 10⁹ نيوتن متر² كولوم⁻²
المطلوب: مقدار واتجاه القوة الكهربائية المؤثرة على الشحنة الكهربائية
الحل:
هناك قوتان تؤثران على q، وهما F1 باتجاه اليمين (حيث أن q وq1 موجبان ، لذا فإن F1 تبتعد عن q وq1 ) ، وF2 باتجاه اليسار (حيث أن q وq2 موجبان، لذا فإن F2 تبتعد عن q وq2 ) . في البداية، احسب F1 و F2.
القوة المحصلة تساوي 7.5 نيوتن. اتجاه القوة المحصلة = اتجاه القوة F1، يشير إلى اليمين للشحنة q2.
الحقل الكهربائي
5. توجد شحنة نقطية q عند النقطة P في المجال الكهربائي الناتج عن الشحنة الموجبة (+)، بحيث تتعرض لقوة مقدارها 0.05 نيوتن في اتجاه الشحنة. إذا كان مقدار المجال الكهربائي عند النقطة P يساوي 2 × 10⁻² نيوتن / كولوم ، فما مقدار ونوع الشحنة التي تُسبب هذا المجال الكهربائي ؟
معروف :
القوة الكهربائية (F) = 0.05 نيوتن
المجال الكهربائي (E) = 2 × 10⁻² نيوتن / كولوم = 0.02 نيوتن/ كولوم
المطلوب: مقدار ونوع الشحنة الكهربائية
الحل:
يتم حساب الشحنة الكهربائية باستخدام صيغة تعبر عن العلاقة بين القوة الكهربائية (F) والمجال الكهربائي (E) والشحنة الكهربائية (q):
F = q E
q = F / E = 0.05 نيوتن / 0.02 نيوتن/كولوم = 2.5 كولوم
تتعرض الشحنة q لقوة كهربائية في اتجاه الشحنة (+) مما ينتج عنه مجال كهربائي، لذا فإن الشحنة q سالبة.
٦. تفصل مسافة ٤ أمتار بين الشحنتين A وB. تقع النقطة C بين الشحنتين، على بُعد متر واحد من النقطة A. إذا كانت Q A = -٣٠٠ ميكروكولوم، وQ B = ٦٠٠ ميكروكولوم، و١/٤ π ε ٠ = ٩ × ١٠⁹ نيوتن متر² كولوم⁻² ، فما مقدار المجال الكهربائي عند النقطة C الناتج عن الشحنتين؟
معروف :
المسافة بين الشحنتين A و B (r AB ) = 4 أمتار
المسافة بين النقطة C والشحنة A (r AC ) = 1 متر
المسافة بين النقطة C والشحنة B (r BC ) = 3 أمتار
الشحنة A (q A ) = -300 ميكروكولوم = -300 × 10⁻⁶ كولوم = -3 × 10⁻⁴ كولوم
الشحنة B (q B ) = 600 ميكروكولوم = 600 × 10⁻⁶ كولوم = 6 × 10⁻⁴ كولوم
الثابت (k) = 9 × 10⁹ نيوتن متر² كولوم⁻²
المطلوب: المجال الكهربائي عند النقطة ج
الحل:
المجال الكهربائي الناتج عن الشحنة A عند النقطة C:
الشحنة A سالبة بحيث يشير اتجاه المجال الكهربائي إلى الشحنة A وبعيدًا عن الشحنة B (إلى اليسار).
المجال الكهربائي الناتج عن الشحنة B عند النقطة C:
الشحنة B موجبة بحيث يكون اتجاه المجال الكهربائي بعيدًا عن الشحنة B ويشير إلى الشحنة A (إلى اليسار).
محصلة المجال الكهربائي عند النقطة أ:
E = E A + E B
E = (27 × 10⁵ ) + (6 × 10⁵ )
E = 33 × 10⁵ نيوتن /كولوم
يشير اتجاه المجال الكهربائي إلى الشحنة A وبعيدًا عن الشحنة B (إلى اليسار).
7. غبار كتلته 1 ملغ يطفو في الهواء. إذا كانت شحنة الغبار 0.5 ميكروكولوم وتسارع الجاذبية الأرضية 10 م/ث²، فحدد مقدار المجال الكهربائي الذي يدعم الغبار.
معروف :
كتلة الغبار (م) = 1 ملغ = 1 × 10⁻⁶ كغ
شحنة الغبار (q) = 0.5 ميكروكولوم = 0.5 × 10⁻⁶ كولوم
تسارع الجاذبية الأرضية (g) = 10 م/ ث²
مطلوب: مجال كهربائي
الحل:
w = mg
w = وزن الغبار، m = كتلة الغبار، g = تسارع الجاذبية الأرضية
تؤثر قوة الجاذبية على الغبار:
الوزن = الكتلة × التسارع = (1 × 10⁻⁶ كجم ) × (10 م/ث² ) = 10 × 10⁻⁶ كجم م/ث² = 10 × 10⁻⁶ نيوتن
معادلة المجال الكهربائي:
E = F/q
E = المجال الكهربائي، F = القوة الكهربائية، q = الشحنة الكهربائية
استبدل F في معادلة المجال الكهربائي بـ w في معادلة الوزن:
E = F/q = w/q
E = (10 × 10⁻⁶ نيوتن ) / (0.5 × 10⁻⁶ كولوم)
E = 10 نيوتن / 0,5 كولوم
E = 20 نيوتن/كولوم
٨. شحنتان q₁ = ٣٢ ميكروكولوم و q₂ = -٢١٤ ميكروكولوم تفصل بينهما مسافة x، كما هو موضح في الشكل أدناه. لا يوجد مجال كهربائي عند النقطة P الواقعة على بُعد ١٠ سم من q₂ . أوجد قيمة x.
معروف :
الشحنة 1 (Q 1 ) = 32 ميكروكولوم
الشحنة 2 (Q 2 ) = -214 ميكروكولوم
المسافة بين النقطة P و q 1 = x + 10 سم
المسافة بين النقطة P و q 2 = 10 سم
مطلوب: س
الحل:
المجال الكهربائي E1 هو المجال الناتج عن الشحنة Q1 . يتجه المجال الكهربائي بعيدًا عن Q1 لأن Q1 موجبة . المجال الكهربائي E2 هو المجال الناتج عن الشحنة Q2 . يتجه المجال الكهربائي نحو Q2 لأن Q2 سالبة.
لا توجد قوة محصلة عند النقطة p الواقعة على بعد 10 سم من Q 2
استخدم الصيغة التربيعية:
9. توجد نقطة مشحونة q عند النقطة P في المجال الكهربائي الناتج عن الشحنة (+)، وبالتالي يكون لها قوة مقدارها 0.05 نيوتن. إذا كانت الشحنة +5 × 10⁻⁶ كولوم ، فما مقدار المجال الكهربائي عند النقطة C؟
معروف :
القوة الكهربائية (F) = 0.05 نيوتن
الشحنة الكهربائية (Q) = +5 × 10⁻⁶ كولوم = 0.000005
المطلوب: المجال الكهربائي عند النقطة P
الحل:
E = F / Q
E = 0.05 نيوتن / 0.000005 كولوم
E = 5 نيوتن / 0.0005 كولوم
E = 10,000 نيوتن/كولوم
E = 10 4 نيوتن/كولوم
E = 10 4 NC -1
- ما هي الكهرباء الساكنة؟ إجابةتشير الكهرباء الساكنة إلى تراكم الشحنات الكهربائية على سطح الأجسام. وتُسمى "ساكنة" لأن الشحنات تبقى في منطقة واحدة بدلاً من أن تتحرك أو تتدفق كما هو الحال في التيار الكهربائي.
- كيف تتولد الكهرباء الساكنة؟ إجابةتتولد الكهرباء الساكنة غالبًا من خلال عملية الشحن الاحتكاكي، حيث تُشحن بعض المواد عند احتكاكها بمادة أخرى. فعلى سبيل المثال، قد يؤدي فرك بالون بالشعر أو المشي على سجادة بأحذية ذات نعال مطاطية إلى تراكم الشحنات الساكنة.
- لماذا تشعر أحيانًا بصدمة كهربائية عند لمس مقبض الباب بعد المشي على سجادة؟ إجابةالمشي على السجاد، خاصة في الظروف الجافة، قد يتسبب في تراكم الشحنات الساكنة على جسمك. عند لمس مقبض الباب أو أي موصل آخر، يمكن أن تفرغ هذه الشحنات بسرعة، مما يؤدي إلى صدمة كهربائية ساكنة.
- كيف تؤثر الرطوبة على الكهرباء الساكنة؟ إجابةتساهم الرطوبة في تقليل تراكم الكهرباء الساكنة، حيث تساعد جزيئات الماء في الهواء على تبديد الشحنات الكهربائية. أما في الأيام الجافة، فيزداد احتمال تراكم الكهرباء الساكنة والتعرض للصدمات الكهربائية.
- لماذا تكون بعض المواد أكثر عرضة لتكوين شحنة كهربائية ساكنة من غيرها؟ إجابةتختلف المواد في قدرتها على الاحتفاظ بالإلكترونات أو نقلها. بعض المواد، مثل المطاط أو أنواع معينة من البلاستيك، تميل إلى اكتساب الإلكترونات أو فقدانها بسهولة أكبر من غيرها، مما يجعلها أكثر عرضة لتراكم الشحنات الساكنة.
- ما هو المبدأ الذي يقوم عليه جهاز الكشف الكهربائي؟ إجابةالمكشاف الكهربائي هو جهاز يُستخدم للكشف عن وجود شحنة كهربائية ساكنة. ويتكون عادةً من قضيب معدني متصل بورقتين رقيقتين من المعدن. عند تقريب جسم مشحون من القضيب، تتباعد الورقتان نتيجة تنافر الشحنات المتشابهة، مما يدل على وجود الكهرباء الساكنة.
- كيف يساهم التأريض في التخلص من الشحنات الساكنة؟ إجابةيوفر التأريض مسارًا للشحنات الزائدة لتنتقل إلى الأرض، التي تُعدّ خزانًا هائلًا للشحنات. عند تأريض جسم مشحون بشحنة ساكنة، تُعادل الشحنات الزائدة، مما يقلل أو يزيل تراكم الشحنات الساكنة.
- لماذا قد ترى شرارات في صومعة حبوب أو أثناء إعادة تزويد طائرة بالوقود، ولماذا يعتبر هذا الأمر خطيراً؟ إجابةيمكن أن تولد حركة الحبوب أو احتكاكها بالأسطح كهرباء ساكنة، وينطبق الأمر نفسه على تدفق الوقود. إذا تراكمت الشحنة الساكنة، فقد تفرغ على شكل شرارة. في البيئات التي تحتوي على غازات أو غبار أو سوائل قابلة للاشتعال (كما هو الحال في صوامع الحبوب أو أثناء تزويد الطائرات بالوقود)، يمكن لهذه الشرارات أن تشعل المواد القابلة للاشتعال، مما يؤدي إلى انفجارات.
- كيف تعمل البخاخات أو المنتجات المضادة للكهرباء الساكنة؟ إجابةتحتوي البخاخات والمنتجات المضادة للكهرباء الساكنة عادةً على مواد تجعل الأسطح موصلة للكهرباء بشكل طفيف. وبذلك، تمنع تراكم الشحنات الساكنة أو تساعد في تبديد أي شحنات تتراكم.
-
ما هي سلسلة الاحتكاك الكهربائي؟ الإجابة : سلسلة الاحتكاك الكهربائي هي قائمة تُصنّف المواد بناءً على ميلها إلى اكتساب شحنة موجبة أو سالبة عند احتكاكها بمادة أخرى. تميل المواد الموجودة في أعلى القائمة إلى اكتساب شحنة موجبة، بينما تميل المواد الموجودة في أسفلها إلى اكتساب شحنة سالبة.
