برای دانلود 195 تست جمعبندی از فصل الکتریسیته جاریاینجا کلیک کنید

بررسی 190 تست از فصل اول فیزیک یازدهم الکتریسیته ساکن

مونیِ الکتریسیتهی ساکن (سال یازدهم)

قسمت اول: بار الکتریکی و ماجراهای اطرافش

 بار الکتریکی یعنی چی؟

بچه ها  همه ی چیزای دنیا، از مویِ سرت گرفته تا میز و صندلی، از اتم ساخته شدن!!  اتم هم که میدونی، سه تا عضو داره: پروتون (با بار مثبت)، نوترون (بیبار)، و الکترون (با بار منفی).

حالا، وقتی تعداد پروتونها و الکترونهای یه چیز برابر باشه، میگیم اون جسم خنثیه. ولی اگه به هر دلیلی، تعداد الکترونها از پروتونها بیشتر یا کمتر بشه، اون جسم باردار میشه.

• اگه الکترون اضافه بیاره، بارِ منفی داره.

• اگه الکترون کم بیاره (یعنی پروتون اضافه داشته باشه)، بارِ مثبت داره.

نکتهی کلیدی: هیچوقت پروتون از جاش تکون نمیخوره! فقط الکترونه که میتونه جابجا بشه. پس هر وقت صحبت از باردار شدن میشه، بدون که الکترونها دارن میرقصن، نه پروتونها.

 روشهای باردار کردن اجسام

سه تا راه اصلی داریم که باهاشون میتونیم یه جسم رو باردار کنیم:

۱. مالش دادن (باردار شدن با اصطکاک)

این همون کاریه که بچگیها میکردیم. شونه رو به موهامون میکشیدیم و بعد کاغذهای ریز رو جذب میکرد. قضیه چیه؟ وقتی دو تا جسم رو به هم میمالی، اصطکاک باعث میشه الکترونها از یه جسم به جسمِ دیگه منتقل بشن. یه جسم الکترون از دست میده و مثبت میشه، اون یکی الکترون میگیره و منفی میشه.

مثلاً وقتی شیشه رو با ابریشم میمالی، شیشه مثبت و ابریشم منفی میشه. یا وقتی پلاستیک رو با پارچهی پشمی میمالی، پلاستیک منفی و پارچه مثبت میشه.

۲. تماس (باردار شدن با لمس)

توی فیزیک فرض کن یه جسمِ باردار رو به یه جسمِ خنثی تماس بدی. چی میشه؟ الکترونها از جایی که زیاده به جایی که کمه میرن تا تعادل برقرار بشه. اینطوری، هر دو جسم همبار میشن. یعنی اگه اولی مثبت بود، دومی هم مثبت میشه. اگه اولی منفی بود، دومی هم منفی میشه.

یه نکته: وقتی دو جسم با هم تماس پیدا میکنن، بارِ کلِ سیستم همیشه پایدار میمونه. یعنی بار از بین نمیره، فقط جابجا میشه.

۳. القا (باردار شدن بدون تماس)

این روش خفنتر از دو تای قبلیه! توش نیازی نیست جسم رو لمس کنی. کافیه یه جسمِ باردار رو نزدیکِ یه جسمِ خنثی بیاری. میدانِ الکتریکیِ اون جسمِ باردار، باعث میشه الکترونهای جسمِ خنثی یه کم جابجا بشن.

یه طرفِ جسم خنثی، بارِ مخالفِ جسمِ باردار رو پیدا میکنه و طرفِ دیگه، بارِ موافق رو. اگه حالا جسمِ خنثی رو به زمین وصل کنی (یا با دست بهش بزنی)، الکترونهای اضافه ازش خارج میشن یا الکترون میگیره و در نهایت، جسمِ خنثی، بارِ مخالفِ جسمِ باردار رو پیدا میکنه. این شد باردار شدن با القا.

 بار الکتریکی، کوانتومی و گسسته است!

یادت باشه: بارِ الکتریکی مثلِ آرد نیست که هرچیزی توش بریزی. بار الکتریکی مثلِ پولِ خردِه! کوچکترین واحدش رو میگن بارِ الکتریکیِ اولیه که همون بارِ یه الکترون یا یه پروتونه.

یعنی هیچوقت نمیتونی نصفِ یه الکترون رو از جاش بکنی یا یه سومِ یه پروتون رو جدا کنی. بار همیشه به صورتِ مضاربِ صحیحی از این بارِ اولیهست. به این میگن کوانتومی بودنِ بار. یعنی بار، دونه دونهست، نه پیوسته.

 سری تریبوالکتریک (ترتیب مالش)

همونطور که گفتم، وقتی دو تا جسم رو به هم میمالی، یکی مثبت و یکی منفی میشه. ولی سوال اینجاست: کدوم یکی مثبت میشه و کدوم منفی؟

یه جدولِ ترتیبی وجود داره که بهش میگن سری تریبوالکتریک. توی این سری، هر جسمی که بالاتره، وقتی به جسمِ پایینتر مالیده بشه، بارِ مثبت میگیره و اون یکی بارِ منفی. مثلاً خزِ خرگوش بالاتر از شیشهست، پس وقتی خز رو به شیشه بمالی، خز مثبت و شیشه منفی میشه. یا پلاستیک پایینتر از پشمه، پس پشم مثبت و پلاستیک منفی میشه.

این جدول رو حفظ کردن لازم نیست، ولی دونستنش بهت کمک میکنه پیشبینی کنی که توی هر مالشی، کدوم جسم چطور باردار میشه.

قسمت دوم: قانون کولن

 دوستداشتن و نداشتنِ بارها

بارهای الکتریکی هم مثلِ ما آدما هستن! بارهای همنام (مثبت با مثبت یا منفی با منفی) همدیگرو دفع میکنن، یعنی از هم فرار میکنن. ولی بارهای غیرهمنام (مثبت با منفی) عاشقِ همدیگهان و همدیگرو جذب میکنن.

این قانونِ کولنه، ولی با یه کمّیت.

 نیروی بینِ دو بار، به چی بستگی داره؟

نیرویی که دو بار به هم وارد میکنن، به سه تا چیز بستگی داره:

۱. به اندازهی بارها: هرچی بارها بزرگتر باشن، نیروی بینشون بیشتره. یعنی اگه بارِ یه جسم رو دو برابر کنی، نیرو دو برابر میشه. اگه هر دو رو دو برابر کنی، نیرو چهار برابر میشه.

۲. به فاصلهی بینشون: هرچی دو بار از هم دورتر باشن، نیروی بینشون کمتر میشه. این رابطه عکسِ مجذورِ فاصلست. یعنی اگه فاصله رو دو برابر کنی، نیرو چهار برابر کمتر میشه. اگه فاصله رو سه برابر کنی، نیرو نه برابر کمتر میشه.

۳. به محیطِ بینشون: یعنی چی؟ یعنی اینکه دو بار توی هوا باشن یا توی آب یا توی شیشه، نیروی بینشون فرق میکنه. هرچی محیط عایقتر باشه (مثل هوا)، نیرو بیشتره. هرچی محیط رساناتر باشه (مثل آب)، نیرو کمتره. به این خاصیتِ محیط میگن ثابتِ دیالکتریک. هوا کمترین تأثیر رو داره، پس نیرو توی هوا بیشینهست.

 نکته ی طلاییِ قانون کولن

نیروی بینِ دو بار، همیشه روی خطِ واصلِ بینِ اون دو باره. یعنی اگه دو بار رو به هم وصل کنی، نیرو دقیقاً همون مسیر رو طی میکنه. نه کج و کوله، نه چپ و راست. دقیقاً رو خطِ مستقیم.

قسمت سوم: میدان الکتریکی؛ دنیایِ نامرئیِ اطرافِ بارها

 میدان الکتریکی یعنی چی؟

بیا یه تصویرِ ساده بسازیم. فرض کن یه بارِ مثبت رو گذاشتی توی فضا. این بار، یه فضایِ نامرئی دوروبرش ایجاد میکنه که بهش میگن میدانِ الکتریکی. حالا اگه یه بارِ دیگه رو بیاری توی این فضا، اون بارِ جدید، نیرویی رو از طرفِ میدانِ اولی حس میکنه.

پس میدانِ الکتریکی، همون محیطیه که بارها توش به هم نیرو وارد میکنن، حتی اگه توی خلأ باشن و هیچچیز دیگهای وسطشون نباشه.

 جهتِ میدان، از کدوم سمت به کدوم سمته؟

یه قراردادِ جهانی بین بهترین دببران فیزیک کنکور هست  جهتِ میدانِ الکتریکی رو همیشه از سمتِ بارِ مثبت به سمتِ بارِ منفی در نظر میگیرن. یعنی:

• اگه بارِ مبدأ (همون باری که میدان رو ایجاد کرده) مثبت باشه، میدان ازش دور میشه و به سمتِ بیرون میره.

• اگه بارِ مبدأ منفی باشه، میدان به سمتِ خودش میاد.

به بیانِ سادهتر: میدان، همیشه جهتِ نیرویی رو نشون میده که به یه بارِ مثبتِ فرضی وارد میشه. پس اگه یه بارِ مثبت رو توی میدان بذاری، نیرو همجهت با میدانه. اگه بارِ منفی بذاری، نیرو خلافِ جهتِ میدانه.

 شدتِ میدان؛ یعنی قدرتِ میدان

شدتِ میدان در یه نقطه، یعنی نیرویی که به یه بارِ کوچک وارد میشه، تقسیم برِ خودِ اون بار. به بیانِ خودمونیتر، میگه اگه یه بارِ مشخص رو بذاری توی یه نقطه از میدان، چقدر نیرو روش وارد میشه.

هرچی به بارِ مبدأ نزدیکتر بشی، میدان قویتره. هرچی دورتر بشی، میدان ضعیفتره. و دقت کن که شدتِ میدان هم مثلِ نیروی کولن، با مجذورِ فاصله عکس رابطه داره.

قسمت چهارم: کارِ میدان؛ یعنی انرژی که صرفِ جابجایی بار میشه

 کارِ میدان چیه؟

وقتی یه بار رو توی میدانِ الکتریکی جابجا میکنی، میدان روش کار انجام میده. یعنی بهش انرژی میده یا ازش انرژی میگیره. این کار، به دو تا چیز بستگی داره:

۱. به اندازهی بار: هرچی بار بزرگتر باشه، کارِ بیشتری انجام میشه.
۲. به اختلافِ پتانسیل بینِ دو نقطه: (که جلوتر مفصل راجبش حرف میزنیم).

کار میدان، مثبته یا منفی؟

این یه نکتهی مهمه. اگه بار رو در جهتِ میدان جابجا کنی، میدان روش کارِ مثبت انجام میده، یعنی انرژی به بار میده. ولی اگه بار رو خلافِ جهتِ میدان جابجا کنی، میدان روش کارِ منفی انجام میده، یعنی از بار انرژی میگیره.

مثلاً یه بارِ مثبت رو در نظر بگیر. میدان از مثبت به منفیه. پس اگه بارِ مثبت رو از سمتِ مثبت به سمتِ منفی ببری (همجهت با میدان)، میدان روش کارِ مثبت انجام میده و انرژی میده. ولی اگه بارِ مثبت رو از منفی به مثبت ببری (خلافِ میدان)، خودت باید کار بکنی و میدان کارِ منفی انجام میده.

قسمت پنجم: پتانسیل الکتریکی؛ پتانسیلِ انرژی

 پتانسیل یعنی چی؟

پتانسیلِ الکتریکی در یه نقطه، یعنی مقدارِ انرژیِ پتانسیلی که یه بارِ مثبتِ کوچک اگه اون نقطه قرار بگیره، داره. به بیانِ سادهتر، پتانسیل، همون «پتانسیلِ انرژی» در هر نقطهست.

یه تشبیه خوبش، ارتفاعه. توی یه تپه، هرچی بالاتر باشی، پتانسیلِ انرژیِ گرانشیات بیشتره. توی میدانِ الکتریکی هم، هرچی به بارِ مثبت نزدیکتر باشی، پتانسیل بالاتره. هرچی به بارِ منفی نزدیکتر باشی، پتانسیل پایینتره.

 جهتِ حرکت بارها، از پتانسیلِ بالا به پایین

یه قانونِ کلی: بارهای مثبت، خودبهخود از جایی که پتانسیل بالاست به جایی که پتانسیل پایینه میرن (یعنی از مثبت به منفی). ولی بارهای منفی، برعکس عمل میکنن و از پتانسیلِ پایین به بالا میرن (یعنی از منفی به مثبت).

دقیقاً مثلِ آب که از ارتفاعِ بالا به پایین میره، بارِ مثبت هم از پتانسیلِ بالا به پایین میره. و اینجاست که میفهمی چرا میدان از مثبت به منفیه؛ چون بارِ مثبت در جهتِ میدان، از پتانسیلِ بالا به پایین حرکت میکنه.

 اختلاف  پتانسیل یا همون ولتاژ

اختلافِ پتانسیل بینِ دو نقطه، همون ولتاژِ معروفه. این اختلاف، تعیین میکنه که اگه بار رو بینِ این دو نقطه جابجا کنی، چقدر کار انجام میشه. هرچی اختلافِ پتانسیل بیشتر باشه، کارِ بیشتری انجام میشه و انرژیِ بیشتری منتقل میشه.

واحدِ پتانسیل و اختلافِ پتانسیل، ولت هستش.

قسمت ششم: توزیع بار در رسانا و نارسانا

 رساناها؛ مهمونیِ آزادِ الکترونها

رساناها موادی هستن که الکترونهای آزاد دارن. یعنی الکترونهاشون راحت میتونن توی ماده حرکت کنن. مثلِ فلزات (مس، طلا، آهن) که همهشون رسانان.

توی یه رسانا، وقتی بارِ اضافی بهش بدی، این بارها همگی به سطحِ خارجیِ رسانا میرن و روی سطح پخش میشن. هیچ باری توی داخلِ رسانا نمیمونه. میدانِ الکتریکی داخلِ رسانا همیشه صفره. یعنی اگه یه رسانا رو توی میدانِ الکتریکی بذاری، بارهاش اونقدر جابجا میشن تا میدانِ داخلی رو خنثی کنن.

 نارساناها (عایقها)؛ الکترونهای محبوس

نارساناها یا عایقها، موادی هستن که الکترونهای آزاد ندارن. یعنی الکترونهاشون محبوسن و نمیتونن حرکت کنن. مثلِ چوب، پلاستیک، شیشه، و لاستیک.

توی عایقها، وقتی بارِ اضافی بهشون بدی، بارها همونجا که ریختن میمونن و پخش نمیشن. نمیتونن حرکت کنن تا به سطح برسن. برای همین، عایقها رو برای پوششِ سیمها و جلوگیری از برقگرفتگی استفاده میکنن.

قسمت هفتم: چگالی بار الکتریکی

📊چگالیِ بار یعنی چی؟

چگالیِ بار، یعنی مقدارِ بار در واحدِ سطح، یا واحدِ حجم، یا واحدِ طول. به بیانِ سادهتر، میگه بارها چقدر فشردهن یا چقدر پخش شدن.

سه نوع چگالی داریم:

۱. چگالیِ سطحی: یعنی مقدارِ بارِ روی یه سطحِ مشخص. برای رساناها که بار روی سطحشون جمع میشه، این خیلی مهمه.

۲. چگالیِ حجمی: یعنی مقدارِ بارِ درونِ یه حجمِ مشخص. برای عایقها که بار توی حجمشون پخش میشه، این کاربرد داره.

۳. چگالیِ خطی: یعنی مقدارِ بار در واحدِ طول. برای سیمها و میلههای باریک استفاده میشه.

هرچی چگالیِ بار بیشتر باشه، میدانِ الکتریکی قویتره. پس چگالی، یه جورایی شدتِ میدان رو نشون میده.

قسمت هشتم: خازن؛ یه مخزنِ کوچک برای بار

 خازن یعنی چی؟

خازن یه قطعهست که میتونه بارِ الکتریکی رو توی خودش ذخیره کنه. سادهترین خازن، دو تا صفحهی فلزیِ موازیه که بینشون یه عایق (مثل هوا، کاغذ، یا پلاستیک) قرار گرفته.

وقتی به خازن ولتاژ میدی، یه صفحه بارِ مثبت و اون یکی بارِ منفی پیدا میکنه. این بارها روی صفحهها جمع میشن و توی خازن ذخیره میشن.

📏ظرفیتِ خازن؛ یعنی چقدر بار میتونه ذخیره کنه؟

ظرفیتِ خازن، معیاریه که میگه خازن چقدر میتونه بار ذخیره کنه. هرچی ظرفیت بیشتر باشه، خازن بارِ بیشتری رو میتونه نگه داره. ظرفیت به سه تا چیز بستگی داره:

۱. به مساحتِ صفحهها: هرچی صفحهها بزرگتر باشن، ظرفیت بیشتره. چون جایِ بیشتری برای جمع شدنِ بار وجود داره.

۲. به فاصلهی بینِ صفحهها: هرچی فاصله کمتر باشه، ظرفیت بیشتره. چون بارها به هم نزدیکترن و همدیگرو قویتر جذب میکنن.

۳. به نوعِ عایقِ بینِ صفحهها: هرچی ثابتِ دیالکتریکِ عایق بیشتر باشه (یعنی عایقتر باشه)، ظرفیت بیشتره. موادی مثلِ میکا یا سرامیک ظرفیت رو بالا میبرن.

واحدِ ظرفیت، فاراد هستش. فاراد یه واحدِ خیلی بزرگه، پس معمولاً از میکروفاراد، نانوفاراد، یا پیکوفاراد استفاده میکنن.

 خازنها توی مدار

خازنها مثلِ باتریهای کوچکن. بار رو ذخیره میکنن و بعداً میتونن آزادش کنن. توی مدارهای الکترونیکی، ازشون برای صاف کردنِ ولتاژ، فیلتر کردنِ سیگنالها، یا حتی توی مدارهای زمانبندی استفاده میشه.

وقتی خازن رو به باتری وصل میکنی، باردار میشه. وقتی باتری رو جدا میکنی و خازن رو به یه مقاومت وصل میکنی، خازن دشارژ میشه و بارش رو از دست میده. این رفتار، پایهی خیلی از مدارهای الکترونیکیه.