لینک دانلود و خرید پایین توضیحات
فرمت فایل word و قابل ویرایش و پرینت
تعداد صفحات: 10
موضوع:الکتریسیته ی ساکن
فهرست عناوین
1-مقدمه:تاریخچه الکتریسیته ساکن صفحه 3
2- قانون کولن " 4
3-آزمایشات کولن " 6-5
4-میدان الکتریکی " 6
5-علت بسیار کوچک بودن بار آزمون " 7
6-مشخصات میدان الکتریکی " 7
7-میدان الکتریکی حاصل از یک بار نقطه ای " 8-7
8-میدان الکتریکی حاصل از توزیع های مختلف بار " 8
9-محاسبه ی نیروی الکتریکی با استفاده از میدان الکتریکی " 8
10-ساختار میدان الکتریکی ساده " 9-8
11-خواص خطوط میدان الکتریکی " 11-10
12-توزیع بار در اجسام رسانا " 12-11
13-مولد وان دو گراف " 13-12
14-انرژی پتانسیل الکتریکی " 14-13
15-خازن " 15
16-پر کردن خازن " 15
17-ظرفیت خازن " 16-15
18-عواملی که بر ظرفیت خازن اثر می گذارد " 16
19-ظرفیت خازن کروی " 16
20-ظرفیت خازن استوانه ای " 16
21-ظرفیت یک کره متروی " 16
22-کد رنگی خازن ها " 17-16
23 -نقش دی الکتریک در خازن " 17
24-مکانیزم علمی افزایش ظرفیت با گذردهی عایق " 18-17
25-تغییرات پارامترهای خازن توسط دی الکتریک " 18
26-انواع خازن " 20-19-18
27-منابع " 21
مقدمه:تاریخچه الکتریسیته ساکن
یونانیان باستان ازمشاهدات خود نتیجه گرفتند که هرگاه کهربا را با پارچه پشمی یا پوست مالش دهند، اجسام سبکی را به خود جذب می کند.واژه الکتریسیته ازکلمه یونانی الکترون به معنی کهربا گرفته شده است.این واژه اولین بار درنوشته های تالس به کار رفته است.(547-640ق.م). ویلیام گیلبرت (1544-1603م) با انتشار کتابی درباره مغناطیس نظریات گذشتگان را مورد بررسی قرارداد ونتیجه گرفت که نیروهای الکتریکی ومغناطیسی ازهم جدا می باشند.برای مثال سنگ مغناطیس می تواند آهن و فقط چند ماده دیگررا جذب کند.درصورتی که کهربا واجسامی که خاصیت الکتریکی دارند میتوانند ذرات کوچک و سبک اجسام گوناگون را جذب کنند.وی عقیده داشت که اجسام الکتریکی اثردافعه ندارد.در سال 1646 سر توماس برادن تجربه های خود را درباره اثر دافعه الکتریکی منتشر کرد و اظهارکرد که بین مواد الکتریکی نیزمانند موادمغناطیسی نیروهای دافعه وجاذبه وجود دارند.درسال 1663اتونون گریکه ماشینی ساخت که به وسیله آن بارالکتریکی زیادی تولید می شد.آنگاه دانشمندان دیگری چون استن گری (1670 -1736)وشارل دونی(1698-1739)تجربه های دقیق تری انجام دادند،به خودونوع الکتریسیته پی بردند. برای ایجادالکتریسیته ساکن تری که می توانستند جرقه ها وتکان های ترسناک الکتریکی تولید کنند.برای مثال یکی ازاستادان فیزیک دانشگاه لندن بارهای الکتریکی این گونه ماشینها را دریک بطری جمع کرد. مقدارالکتریسیته دربطری لیدن آنقدرزیاد بودکه اگرشخصی بطری رادردست می گرفت ودست دیگرخود رابه میله سربطری میزد تکان شدیدی دربدن خوداحساس میکرد.درقرن هجدهم میلادی بطری لیدن مورد توجه بنیامین فرانکلین (1756-1790) قرارگرفت،وی پس ازآزمایشهای متعدد نتایج کارخود را در سال 1747منتشر کرد.اومعتقد بود که دونوع الکتریسیته که قبل ازوی کشف شده بود اساساً باهم تفاوتی ندارد، بلکه حتی جسمی دراثرمالش دارای الکتریسیته میشود.یکی ازدوجسم دارای الکتریسیته اضافی یعنی بار مثبت ودیگری دارای الکتریسیته منفی میشود.دونوع بارالکتریکی وجود دارد واین بارهای الکتریکی که می توانند ساکن یا متحرک باشند وآثاری ازخود ظاهرمیسازند.ازنظریه فرانکلین این نتیجه درست نیزبه دست آمدکه:بارهای الکتریکی ایجاد نمیشوندوازبین نمیروندازقسمتی ازیک جسم به قسمت دیگرمنتقل می شوند،همچنین بارهای مثبت ومنفی یکدیگررا خنثی میکنند، ولی هیچگاه نابود نمیشوند.این نتایج امروزه قانون بقای بارالکتریکی نامیده میشود که مانند قانون بقای جرم وانرژی ازقوانین اساسی طبیعت محسوب میشود.پدیده وضع الکتریکی نخستین باردرسال (1672م) توسط گریکه بیان شد.اومشاهده کرد که پرهای مرغ نخست جذب یک گلوله گوگردی باردارشده وسپس ازآن رانده میشوند.صدوپنجاه سال بعد،درفرانسه محققی به نام شارل دونی کشف کرد که دوجسم باردارهمیشه یکدیگررا نمیرانند بلکه گاهی یکدیگررا می ربایند وبه این نتیجه رسید که دو نوع بارالکتریکی وجود دارد.بطوری که بارهای الکتریکی ممنوع یک دیگررامیرانندوبارهای الکتریکی که نوع آنها مختلف است یکدیگررامیربایند.دونی برای تشخیص این دو نوع الکتریسیته یکی راالکتریسیته شیشه ای ودیگری را الکتریسیته صمغی نامید.الکتریسیته شیشه ای از مالیدن شیشه به پارچه ابرپشمی تولیدمیشودوالکتریسیته صمغی ازمالیدن کهربا،گوگرد،لاک و...به پشم یا پوست حیوان به دست میآید.بعدها معلوم شدکه این طرف نام گذاری درپاره ای ازموارد گمراه کننده است. زیرامثلا شیشه سنگی زبردراثرمالش،الکتریسیته صمغی تولیدمیکندوابونیت بسیارصیقلی شده دارای نوع الکتریسیته شیشه ای میشود.ازاینروفرانکلین دانشمند آمریکایی اصطلاح امروزی الکتریسیته مثبت ومنفی رابه جای دونوع شیشه ای وصمغی وضع کرد.
قانون کولن:
قانون کولن بیان می کند که نیرویی که دو بار الکتریکی بر هم وارد میکنند،با حاصل ضرب اندازه دو بار نسبت مستقیم و با مجذور فاصله ی آنها نسبت عکس دارد.
دراواخرقرن هجدهم علوم تجربی به درجه ای ازرشد وپیشرفت رسیده بود که بتوان مشاهدات دقیقی در باره ی نیروهای میان بارهای الکتریکی به عمل آورد. نتایج این مشاهدات را که درآن زمان فوق العاده مجادله آمیزبودند،نمیتوان به این صورت بیان نمود.دونوع وفقط دونوع بارالکتریکی وجود داردکه ما این هارا به نام بارهای الکتریکی مثبت ومنفی میشناسیم.همچنین دوبارنقطه ای نیروهایی بریکدیگراعمال می کنندکه بزرگی این نیروها بامربع فاصله بین دو بارنسبت عکس وباحاصلضرب اندازه بارها نسبت مستقیم دارد.این نیروبرای بارهای همنام دافعه ودرمورد بارهای غیرهمنام جاذبه است.(نیروی کولن).آنچه گفته شدبه افتخارشارل آرگوستن کولن که ازپیشروان الکتریسیته درقرن هجدهم بود،به نام قانون کولن معروف است.کولن دستگاهی ساخت که به وسیله آن میتوانست نیرویی راکه دوذره بارداربریکدیگرواردمی کنند، اندازه بگیرد.درترازوی کولن میله ای دمبل مانند قرارداردکه به دوانتهایش کره های کوچک متصل شده است.این دمبل به وسیله یک رشته که ازوسط دمبل میگذرد،آویخته شده است.هرگاه کره ی بارداردیگری را به یکی ازاین کره ها که قبلا باردارشده است،نزدیک کنیم،براساس قانون کولن با توجه به نوع بارها، این دویکدیگرراجذب یا دفع میکنند،بنابرین دراثراین نیرودنبل خواهدچرخید ورشته تاب میخورد.با اندازه گیری زاویه انحراف دنبل میتوان نیروی بین دو بارالکتریکی را سنجید.لازم به ذکراست که دقت اندازه گیری ترازوی کولن به زحمت ازچند درصد تجاوزمیکند.به عنوان مثال،چنین اندازه گیریهایی نمی تواند مارا متقاعد سازد که دررابطه قانون کولن توان فاصله بارها ازیکدیگردقیق برابر2است.قانون کولن در مورد بارهای نقطه ای به کارمیرود.ازلحاظ ماکروسکوپی بارنقطه ای باری است که ابعاد فضایی آن در مقایسه باهرطول دیگردرمسأله موردنظربسیارکوچک است.قانون کولن درمورد برهمکنش ذرات بنیادی مانند پروتن ها والکترونها نیزصادق است درمورد دفع الکترواستاتیکی میان هسته ها درفواصل بیشتراز نیزاین قانون صدق میکند،اما در فواصل کمترنیروهای پرقدرت وکوتاه برد هسته ای عمل میکند.
نیرویی که قانون کولن بیان می کند، به نیروی کولن معروف است. نیروی کولن بسته به نوع بارهای الکتریکی میتواندجاذبه یا دافعه باشد.قانون کولن یک قانون تجربی است،ولی با وجوداین شواهد تجربی و نظری هردونشان میدهندکه قانون عکس مجذورکولن دقیق است.آنچه قانون کولن بیان میکند،یک رابطه ی تناسبی است.با ضرب کردن طرف دوم دریک ثابت تناسب این رابطه تناسبی به یک تساوی تبدیل می شود.مقدارثابت تناسب بستگی به دستگاه یکایی دارد که مورداستفاده قرارمیگیرد.به عنوان مثال،درسیستم یکای گاوسی این مقدارثابت رابراریک فرض میکنندویکای بارالکتریکی رابه گونه ای انتخاب میکنند که رابطه باتجربه سازگارباشد.اما دستگاه اس آی که بارالکتریکی را برحسب کولن،فاصله را برحسب مترو نیرورابرحسب نیوتون بیان میکنند،ثابت تناسب باید کمیتی باشدکه دارای بعداست.به وسیله ی آزمایشهای تجربی مقداراین ثابت تناسب به صورت زیرمحاسبه میشود:
در بعضی از موارد به منظور ساده تر کردن محاسبه به جای مقدار فوق عبارت به ظاهر پیچیده
راقرارمیدهندکه درآن 0کمیتی است که به عنوان ضریب گذردهی الکتریکی خلأمعروف است و مقدار عددی آن برار است با:
مفهوم قانون کولن فراترازتوصیف نیروهای میان کره های بارداراست.این قانون می تواند درفیزیک کوانتومی نیروهای الکتریکی که الکترونهای یک اتم رابه هسته آن پیوندمی دهد،نیروهایی که اتم هارا به هم پیوند میدهند تامولکول تشکیل شود ونیروهایی که برای تشکیل جامدات،مایعات،اتم ها یامولکولهارابه هم پیوند میدهند،رابه درستی توصیف کند.ازاین روبیشترنیروهایی که درزندگی روزمره خود با آنها سرو کارداریم،گرانشی نیستند،بلکه الکتریکی هستند.درهسته اتم نیروی جدیدی وجود داردکه نه دارای ماهیت گرانشی است ونه الکتریکی.این نیروی جاذبه قوی که پروتونها ونوترونهای تشکیل دهنده هسته رابه هم پیوند میدهد،نیروی هسته ای یا برهمکنش قوی هسته ای نام دارد.اگراین نیرو وجود نداشت،هسته دراثر نیروی دافعه کولنی قوی میان پروتونهایش به یکباره متلاشی میشد.
آزمایشات کولن:
کولن دانشمند فرانسوی درابتدا دررشته مهندسی ارتش خدمت میکرد وسرپرست امورآبها وچشمه ها بود. اومدت 9 سال درهندغربی خدمت کرد تا آنکه درسال 1789 ازارتش استعفا کرد وبه امورعلمی و تحقیقی پرداخت وتحقیقاتش درزمینه الکتریسیته ومغناطیس واصطکاک به نتیجه رسید.کولن درالکتریسیته موفق به کشف قانون نیروی جاذبه ودافعه الکتریکی شد. بنابراین قانون دوبارالکتریکی یکدیگررا با نیرویی متناسب با اندازه بارها وعکس مجذورفاصله جذب و یا دفع میکنند. اوبرای تحقیق دراندازه نیروی الکترواستاتیکی نوعی ترازوی پیچشی اختراع کرد.این ترازوی پیچشی را برای اندازه گیری نیروی مغناطیسی نیزبه کار برد وقانونی مشابه آنچه درمورد الکتریسیته به دست آورده بود برای مغناطیس به دست آورد.(اساس کار این ترازوی پیچشی دقیقاهمانندترازوی کاوندیش است. با این تفاوت که اینجا گوی بارداررابه کره نزدیک میکنند.)کولن با تکرارآزمایشهای مختلف دریافت که :
نیروی جاذبه یا دافعه بین دوبارنقطه ای،متناسب باعکس مجذور فاصله بین دوبارالکتریکی است.
اندازه نیروی جاذبه یا دافعه بین دوبارالکتریکی با حاصل ضرب اندازه دوبارالکتریکی نسبت مستقیم دارد.
نیروی جاذبه یا دافعه، بین دوبارالکتریکی باجنس عایق میان دوباربستگی دارد.
قانون کولن دردستگاه یکاهای بین الملی (si)به شکل زیر نوشته می شود:
F=qq'/(40r2)
دراین رابطه q و q' اندازه بارها برحسب کولن،r فاصله بین مرکزدوبارالکتریکی برحسب متراست.
0 قابلیت گذردهی فضای آزادازبارالکتریکی ویا قابلیت گذردهی خلا مینامندومقدارآن برابراست با :
(8.85418+ -0.00002)*10-12 C2/Nm2
عدد بدون واحدی است که به جنس عایق بین دوباربستکی دارد ونشان میدهدکه چنانچه درفاصله بین دو بارعایقی غیرازخلاء باشد،نیروی جاذبه یا دافعه چندمرتبه کوچکترخواهد شد. تفاوت این قانون با قانون قبلی آن بود که به جای بارهای الکتریکی کمیت جرم مغناطیسی را وارد رابطه نیروکرد. ازجمله دیگر کارهای کولن اندازه گیری نیروی اصطکاک بین سطوح مختلف وقانونی است که دراین موردبه دست داده است. بنابراین قانون نیروی اصطکاک بین سطح دو جسم با نوع سطح تماس بستگی دارد و مستقل ازبزرگی سطح تماس است. دنیای علم به پاس خدمات کولن واجد مقدارالکتریسیته راکولن نامید تا هرروزدرمدارس کشورهای جهان نام اوبرزبان ها رانده شود.
میدان الکتریکی:
برای تعریف میدان الکتریکی دریک نقطه معین ازفضا، یک بارالکتریکی مثبت به اندازه واحد در آن نقطه قرارداده،سپس مقدارنیروی الکتریکی وارد براین واحد باررا به عنوان شدت میدان الکتریکی تعریف میکنند.بارمثبت را نیزبه عنوان بارآزمون تعریف میکنند. به بیان دقیقترمیتوان میدان الکتریکی را به صورت حد نسبت نیروی الکتریکی وارد بریک بارآزمون براندازه بارآزمون،زمانی که مقداربار آزمون به سمت صفرمیل میکند،تعریف کرد.
ازقانون کولن میدانیم که دو بارالکتریکی بر یکدیگرنیرو واردمی کنند.این نیرو رامی توان با استفاده ازمفهوم جدیدی به نام میدان الکتریکی توضیح داد،یعنی واسطه‌ای که بارهای الکتریکی بواسطه آن بر یکدیگرنیرووارد میکنند.به بیان دیگرهربارالکتریکی درفضای اطراف خود یک میدان الکتریکی ایجاد میکند که هرگاه بارالکتریکی دیگری درمحدوده این میدان قرارگیرد،برآن نیروی وارد میشود. معمولا خطوط میدان الکتریکی دراطراف هربارالکتریکی بااستفاده ازمفهوم خطوط نیرونشان داده میشود. به عنوان مثال اگربارالکتریکی نقطه‌ای مثبتی رادرنقطه‌ای ازفضا درنظربگیریم دراین صورت خطوطی از این نقطه به طرف خارج رسم میشوند. این خطوط بیانگرجهت میدان الکتریکی هستند. همچنین با استفاده ازچگالی خطوط میدان الکتریکی میتوان به شدت میدان الکتریکی نیزپی برد.
علت بسیار کوچک بودن بار آزمون:
فرض کنید یک توزیع باربا چگالی حجمی یا سطحی معین دریک نقطه ازفضا قرارداردوما میخواهیم میدان الکتریکی حاصل ازاین توزیع باررا دریک نقطه معین پیدا کنیم.اگرچنانچه مقداربارآزمون خیلی کوچک نباشد،به محض قراردادن بارآزمون درنزدیکی توزیع بار،توزیع بارحالت اولیه خودرا ازدست داده وتحت تاثیربارمثبت آزمون قرارمیگیرد. لذا فرض بسیارکوچک بودن بارآزمون بدین خاطراست که بتوانیم ازاثرات بارآزمون برتوزیع بارصرف نظرکنیم.البته با تعریف میدان بصورت حد نیروبربار زمانی که باربه صفرمیل میکند،این اشکال رفع میشود.
مشخصات میدان الکتریکی:
میدان الکتریکی کمیتی برداری است،یعنی درمیدان الکتریکی علاوه برمقداردارای جهت نیزمیباشد. برداری بودن این کمیت رامیتوان ازتعریف آن نیزفهمید.چون میدان الکتریکی رابه صورت نسبت نیرو بربارتعریف کردیم ونیزچون نیروبرداراست،لذا میدان الکتریکی نیزبردارخواهد بود. میدان الکتریکی در داخل یک جسم رسانا همواره برابر صفراست. چون اگردرون جسم رسانا میدان الکتریکی وجود داشته باشد،دراین صورت برهمه بارهای درون آن نیرو وارد میشود.این نیرو باعث به حرکت درآمدن بارهای آزاد میشود.حرکت باررا جریان میگویند.بنابراین دراثرایجاد جریان درداخل جسم رسانا بارها به سطح آن منتقل میشوند،بازمیدان درون آن صفرمیشود.دربیشترموارد میدان الکتریکی ازنظراندازه و جهت ازیک نقطه به نقطه دیگرتغییرمیکند.اما اگرچنانچه اندازه جهت میدان درمنطقه‌ای ثابت باشد، در این صورت میدان الکتریکی را یکنواخت یا ثابت میگویند.
میدان الکتریکی حاصل از یک بار نقطه ای:
فرض کنید که یک بارالکتریکی به اندزه 'q درنقطه‌ای ازفضا که با بردارمکان 'r مشخص میشود، قرارداشته باشد. حال میخواهیم میدان الکتریکی حاصل ازاین بار را در نقطه دیگری که با بردارمکان (r) مشخص میشود، تعیین کنیم. طبق تعریف یک بار نقطه‌ای مثبت آزمون در این نقطه قرارمی دهیم. فرض کنیدکه اندازه بارآزمون (q) باشد.دراین صورت ازطرف بار q براین بارآزمون نیرویی وارد میشود که ازقانون کولن بصورت زیرمحاسبه میشود.
F = 1/4πε0 X q'q2/(r-r')
چون نیروی F یک کمیت برداری است،لذاعلاوه براینکه مقدارآن ازرابطه گفته شده حاصل میشود، دارای یک جهت نیزهست که جهت آن با رابطه|(r-r')/|(r-'r) نشان داده میشود.درواقع این کمیت یک بردار یکه است. حال اگرنیروی F را بر (q) تقسیم کنیم،کمیتی حاصل میشود که همان میدان الکتریکی است. یعنی اگرمیدان الکتریکی را با E نشان دهیم،دراین صورت میدان الکتریکی حاصل
از بار نقطه‌ای به فاصله 'r از مبدا از رابطه زیر محاسبه می شود.
'F=1/4πε0xq'q(r-r')3/|r-r|
میدان الکتریکی حاصل از توزیع های مختلف بار:
اگرچنانچه به جای بارنقطه‌ای یک توزیع باربه صورت حجمی یا سطحی وجود داشته باشدویا اینکه چندین بارنقطه‌ای وجود داشته باشد وبخواهیم میدان حاصل ازاینها را محاسبه کنیم،برای این منظوردر مورد چند بارنقطه‌ای ،میدان حاصل ازهرباررا تعیین نموده وهمه را بصورت برداری جمع می‌کنیم. اما درمورد توزیع بارها باید ازیک رابطه انتگرالی استفاده کنیم. بدیهی است که درمورد توزیع حجمی بارانتگرال حجمی بوده ودرمورد توزیع سطحی بار،انتگرال سطحی خواهد بود.
محاصبه نیروی الکتریکی با استفاده از میدان الکتریکی:
اگربخواهیم مقدارنیروی الکتریکی را که ازطرف یک توزیع باربرباردیگری که دریک نقطه معین قراردارد محاسبه کنیم،کافی است که میدان الکتریکی حاصل ازتوزیع باررا درنقطه معین تعیین کرده، مقدارنیروی وارده را ازحاصلضرب میدان الکتریکی دراندازه باری که نیروی وارده برآن را محاسبه می‌کنیم،مشخص کنیم.
ساختار میدان الکتریکی ساده:
اگرکره ازاشیا دیگرجدا باشد(مثلاازاگرروی یک پایه عایق خوب گذاشته شود یاازنخ بلندی آویزان شود) وکاوه الکتریکی رادرنقاط هم فاصله ازمرکزکره جابه جا کنیم،الکترومترهمواره مقادیریکسانی را برای اختلاف پتاسیل الکتریکی بدست میدهد.این به این معناست که دراین حالت سطوح هم پتاسیل کره های
هم مرکزندومیدان الکتریکی حاصل ازکره باردارفقط به فاصله ازمرکزکره وابسته است « تقارن شعاعی میدان الکتریکی)اما باحرکت دادن کره درراستای شعاعی تغییرواضحی درپتاسیل مشاهده میشود، یعنی حرکت درامتداد خط میدان صورت میگیرد. سطوح هم پتاسیل و خطوط میدان الکتریکی دراطراف کره باردارطوری آرایش یافته اند که خطوط میدان الکتریکی برسطوح هم پتاسیل عموداست. باید توجه داشت که با نزدیک شدن به اشیای دیگرنظیردیواره های اتاق سطوح هم پتاسیل شکل کروی خود را ازدست می دهند وساختاردرهمی پیدا میکنند.ولی با دورشدن ازاشیا درنزدیکی کره ساختارسطوح هم پتاسیل وخطوط میدان الکتریکی برای کره وبارنقطه ای واقع درمرکزکره یکی است. یک کره باردارمجزا ازاشیا دیگردر فضای پیرامون همان میدانی را به وجود می آوردکه اگرهمه بارآن درمرکزش جمع میشد نیزهمان میدان را ایجاد میکرد.ساختارسطوح هم پتاسیل وخطوط میدان الکتریکی دو صفحه موازی تخت که بین این دو صفحه،اختلاف پتاسیل معینی وجود دارد،کاملا درهم است. با وجوداین بین صفحات سطوح هم پتاسیل با سطوح متوازی با صفحات فرقی وجود ندارد. در صورتی که خطوط میدان الکتریکی مستقیم برصفحات عمودند.معلوم شده است که اگرابعاد صفحات درمقایسه با فاصله بین آنها بزرگ باشد،میدان الکتریکی بین صفحات(به استثنای نواحی نزدیک به کناره صفحات) یکنواخت میشود.یعنی میدان درنقاط مختلف بزرگی وراستای یکسانی دارد.چون شدت میدان الکتریکی با افت پتاسیل الکتریکی درواحد طول یک خط میدان برابراست.بنابراین اگرفاصله ی بین صفحات را با واختلاف پتانسیل بینشان رابا نشان دهیم،شدت میدان الکتریکی دربین دوصفحه موازی عبارت خواهد بود:
ازاین ساختارجهت ایجاد میدان های یکنواخت باخطوط نیروی الکتریکی موازی هم استفاده میشود. این ساختارهمان ساختاریک خازن تخت میباشد.
سطوح هم پتاسیل وخطوط میدان الکتریکی تولید شده بین دواستوانه هم محوردروسط (نه خیلی نزدیک به لبه های استوانه)دارای ساختاراستوانه های هم محوراست درحالیکه دربالا وپایین استوانه ها این پیکربندی به توسط سطوح گنبدی شکل میگیرند.با قطع سطوح هم پتاسیل با صفحه ای که ازمحوراستوانه ها میگذرد ،خطوطی به دست میآیند که به خطوط هم پتاسیل بین دوصفحه باردارشبیه هستند.درمیان استوانه ها (دور ازلبه ها)این خطوط به شکل مستقیم وموازی با محوراستوانه ها هستند.اما خطوط هم پتاسیل دراین حالت، برخلاف سطوح هم پتاسیل درمیدان الکتریکی یکنواخت هم فاصله نیستند.آنها حول استوانه داخلی متراکم ترند وبا نزدیک شدن به استوانه بیرونی کم کم تراکمشان کاهش می یابد. این امرنشان می دهد که میدان الکتریکی درراستای شعاعی غیریکنواخت است.ودراستوانه داخلی قویتراست.وبا حرکت به سمت استوانه بیرونی به تدریج ضعیف میشود.درمقطع استوانه هابا صفحه عمودبرمحورشان سطوح هم پتاسیل بصورت خطوط هم پتاسیل وبه شکل دوایرهم مرکزدرمیآیند.خطوط میدان الکتریکی که به همه سطوح هم پتاسیل عمودهستند،خطوط مستقیمی هستند که درامتداد شعاع استوانه ها قراردارند.به راحتی ملاحظه میشودکه در سطح استوانه داخلی این خطوط بیشترهستند.درصورتیکه درسطح استوانه بیرونی کمترین تراکم مشاهده میشود.این امربه این معنا ست که شدت میدان الکتریکی دراستوانه داخلی به حداکثرمقدارخود میرسد،وبا دورشدن ازمحورآن به تدریج کاهش مییابد. هرچه قطراستوانه داخلی درمقایسه با دایره بیرونی کوچکتر باشد،این نایکنواختی میدان الکتریکی بیشتراست.به این صورت که میتوان میدان الکتریکی خیلی قوی در اطراف یک قطعه سیم نازک به وجود آورد.همین اثردرنزدیکی اشیای نوک تیزنیزمشاهده میشود.اگرابعاد وحتی شکل استوانه بیرونی را تغییردهیم میدان درمجاورت رشته سیم به مقدارناچیزی تغییرمیکند.بویژه دیوارهای اتاق میتوانند نقش استوانه بیرونی را داشته باشند.میدان الکتریکی درنزدیکی رشته سیم همان ساختارمیدان الکتریکی استوانه های هم محوررا دارد.
خواص خطوط میدان الکتریکی:
به نظرمیرسد نقشه‌ای که بتواند جهت وشدت میدان رادرهرنقطه نشان دهد،بسیارمفید باشد.مایکل فارادی یک ایده برای چنین نقشه‌ای ارائه داد و نام آن را خطوط میدان الکتریکی نهاد . ازآنجا که شدت میدان الکتریکی برابرنیروی وارد برواحد بارمیباشد، لذا گاهی به خطوط میدان الکتریکی،خطوط نیرونیزگفته میشود.برای معرفی خط میدان الکتریکی دراطراف بارنقطه ای به شکل زیرتوجه کنید.
درمحلهای شماره گذاری شده 1الی 8،به بارآزمون نیروی دافعه ای وارد میشود که فلشها جهت این نیرو را نشان می دهند.لذا میدان الکتریکی حاصل از بار به صورت شعاعی از بار مزبورخارج می شوند. خطوط میدان الکتریکی طوری رسم میشوند تا این جهت را نشان دهند.این خطوط ازمحل بار شروع شده وبه صورت شعاعی خارج می شوند. شکل زیرخطوط میدان دراطراف باررا نشان میدهد.
دراین حالت،خطوط به سمت داخل وشعاعی هستند زیرا نیروی وارد بریک بارآزمون مثبت، به صورت جاذبه میباشد که نشان میدهد جهت میدان به سمت داخل میباشد.بطورکلی خطوط میدان الکتریکی همیشه به سمت خارج بارمثبت وبسوی بارمنفی میباشد.درشکل های بالا،برای سادگی ،میدان حاصل ازبارمثبت ومنفی فقط دردوبعد رسم شده‌اند.درحقیقت خطوط میدان درفضا سه بعدی میباشند وبه صورت شعاعی در اطراف بارنقطه‌ای وجود دارند.تعداد خطوط میدان نیز بیشمارهستند.اما برای سادگی و وضوح تنها تعداد محدودی ازاین خطوط رسم میشوند.
فیزیک الکتریسته ساکن
