الفصل الأول : الكهرباء الساكنة الفصل الأول : الكهرباء الساكنة

خصائص المكونات الأساسية للذرة من حيث قيمة الشحنة والكتلة: Mass Charge Symbol Particle 1.672x10-27Kg 1.6x10-19C p Proton 1.674x10-27Kg n Neutron 9.1x10-31Kg -1.6x10-19C e Electron

المواد الموصلة والعازلة وشبه الموصلة المواد الموصلة، هي تلك المواد التي تسمح بسهولة بانتقال إلكترون من ذرة إلى أخرى، وبصفة عامة، تُعد معظم المعادن، مثل النحاس والفضة، مواد جيدة التوصيل.

المواد العازلة : أما المواد التي تميل ذراتها، إلى الاحتفاظ بالإلكترونات مستقرة في مداراتها، فيطلق عليها المواد العازلة، وهي مواد لا تسمح بتوصيل التيار الكهربي بسهولة؛ من مثل هذه المواد، الزجاج والبلاستيك والمطاط والمايكا.

ولبعض المواد خواص توصيل متوسطة، فهي ليست موصل كامل، أو عازل كامل، وهي تجمع إلى حد ما بين خواص الفئتين؛ هذه المواد يطلق عليها المواد شبه الموصلة Semi Conductor، مثل عناصر الجرمانيوم والسليكون؛ وقد أصبح لهذه المواد الآن قدر كبير من الأهمية في عملية إنتاج الترانزيستور، والدوائر الإلكترونية المتكاملةIntegrated circuits .

الكشاف الكهربائي

استخدام الكشاف الكهربائي في الكشف عن وجود شحنة كهربائية قرب الجسم من القرص المعدني للكشاف فإذا انفرجت ورقتاه دل على أن الجسم مشحون

عند لمس الكشاف المشحون بشحنة موجبة باليد

عند لمس الكشاف المشحون بشحنة سالبة باليد

طرق الشحن الكهربائي للأجسام الشحن بالدلك الشحن باللمس الشحن بالتأثير

الشحن بالدلك

الشحن بالدلك يدك الزجاج شعرك النايلون الصوف الفرو الحرير الورق القطن المطاط البوليستر البلاستيك متسلسلة التريبو الكتريك: عندما تدلك مادتين مختلفتين ببعضهما من ستصبح موجبة ومن ستصبح سالبة؟؟ العلماء رتبوا المواد حسب قدرتها على الاحتفاظ بالكتروناتها أو لخسارتها. هذا الترتيب اطلق عليه (متسلسلة التريبو الكتريك) . سنعرض هنا بعضاً من عناصر هذه السلسلة . في ظروف مثالية , إذا دلكت مادتين معاً , فإن المادة في أعلى السلسلة تفقد الكترونات وتصبح موجبة والمادة في أسفله تكتسب الإلكترونات وتصبح سالبة.

الشحن باللمس

2 – الأجسام الموصلة يمكن شحنها أيضاً بطريقة التأثير ( الحـث ) الشحن بالتأثير 1- الأجسام العازلة تشحن بطريقة الدلك واللمس ، بينما الأجسام الموصلة تشحن بالدلك واللمس مع امساكها بواسطة عازل . 2 – الأجسام الموصلة يمكن شحنها أيضاً بطريقة التأثير ( الحـث ) ويمكن اجراء الشحن بالتأثير بطريقتين كما يلي :-

1- قرب شحنة من موصل غيرمشحون قــرب إلـمس 1- قرب شحنة من موصل غيرمشحون يتكون شحنة مخالفة قريبة ، وشحنة مشابهة بعيدة أبــعـد 2- إلمس الموصل بالأرض تتسرب الشحنة المطلقة البعيدة وتبقى المقيدة 3- أبعد الشحنة والأرض في آن واحد

قــرب افــصل وأبــعـد 1- اجعل الكرتين متلامستين وقرب الشحنة 2- تتكون شحنة مخالفة على الكرة القريبة وتتكون شحنة مشابهة على الكرة البعيدة 4 – افصل الكرتين وأبعد الشحنة آنيـاً

أين تستقر الشحنات ؟ تستقر الشحنات الكهربائية على السطح الخارجي فقط للموصل المشحون والمعزول . تتكاثف الشحنات الكهربائية على الأطراف المدببة . تطبيق : مانعة الصواعق

الصواعق هي الضوء المتوهج الذي ينطلق من السماء في اتجاه الارض في صورة برق ويعزي العلماء ان ذلك يحدث بسبب الشحنة الكهروستاتيكية التي تحملها السحب وهي شحنة سالبة ويقابلها على الارض شحنة موجبة ويصل فرق الجهد الى 10000 فولت لكل سم مما يفوق قدرة الهواء على العزل فيتأين الهواء المحيط بالسحابة وتنطلق الشحنة الكهربية من السحابة في اتجاه الارض وبالتحديد إلى المناطق الاقرب للسحابة مثل الابراج والمباني المرتفعة , ووجود مانعة الصواعق ذات الرأس المدبب توفر الطريق الاسهل للشحنات في الوصول إلى الارض ولهذا فان مانعة الصواعق هي في الحقيقة لاتمنع الصاعقة من الحدوث انما تتحكم في مرورها الى الارض لتتسرب بدون ان تدمر الاجهزة والمعدات

الصواعق

الصاعقة

بين السحاب والأرض

التفريغ الكهربائي بين سحابتين

بين السحاب وشجرة

مانعة الصواعق مانعة الصواعق تصنع من مادة معدنية متصلة مع الارض ولها طرف مدبب يثبت على الابراج العالية والعمارات السكنية المرتفعة ولهذه الاداة فائدة كبيرة فلو ضربت صاعقة احد هذه الابراج او العمارات لشطرته الى جزأين نتيجة للتيار الكهربي الهائل واللحظي

الشحنة تنطلق عشوائيا حسب المنطقة

فلنفرض أن هذا المفتاح هو المانعة وأن الموصل هو السحابة وأن الشرارات الضوئية هي الشحنات ستلاحظ أن المانعة قامت بجذب الشحنات لأن رأسه مدبب

عمل مانعة الصواعق

هي التأثير المتبادل بين شحنتين كهربائيتين القوة الكهربائية هي التأثير المتبادل بين شحنتين كهربائيتين

ماذا يحدث بين الشحنات المتشابهة والشحنات المختلفة ؟

ميزان اللي لقياس القوة الكهربائية - جهاز استخدمه كولوم للتوصل لقانونه . - يتكون من كرتين صغيرتين قابلتين للشحن , إحداها معلقة بحيث تدور بتأثير القوة الكهربائية ويمكن قياس هذه القوة من زاوية الدوران

القوى الكهربائية وقانون كولوم * تتوقف على : 1. مقدار كل من الشحنتين ( q1 , q2 ) : 2. المسافة بين الشحنتين ( r ) : 3. نوع الوسط العازل بين الشحنتين where K is the coulomb constant = 9x 109 N.m2/C2.

القوى الكهربية تكون ناتجة من تأثير شحنة على شحنة أخرى أو من تأثير توزيع معين لعدة شحنات على شحنة معينة q1 لحساب مقدار القوة المتبادلة نسمى الشحنة الأولى q1 والثانية q2.  فإن القوة المؤثرة على الشحنة q1 نتيجة الشحنة q2 تكتب F12.  وتحسب مقدار القوة من قانون كولوم كالتالي: أي أن القوتين متساويتان في المقدار ومتعاكستان في الاتجاه.

في حالة التعامل مع أكثر من شحنتين والمراد حساب القوى الكهربية الكلية The resultant electric forces المؤثرة على شحنة q1 كما في الشكل فإن هذه القوة هي F1 وهى الجمع الاتجاهي لجميع القوى المتبادلة مع الشحنة q1 أي أن :

Electric field المجال الكهربائي المجال الكهربائي هو المنطقة المحيطة بالشحنة الكهربائية من جميع الاتجاهات ويظهر فيها تأثيرالقوة الكهربائية للشحنة. إذا وضعت شحنة اختبار عند النقطة فإنها ستتأثر بقوة كهربائية ناتجة من الشحنة بذلك نقول أن الشحنة تولد مجال كهربائي لذا فإن شحنة الاختبار سوف تتأثر بقوة مقدارها شحنة اختبار شدة المجال الكهربائي E q F =

شدة المجال الكهربائي E q F = شدة المجال الكهربائي هو متجه القوة المؤثرة على شحنة اختبار موجبة موضوعه عند النقطة. إذا تأثرت شحنة اختبار موضوعة عند النقطة بقوة كهربية عندها نقول أنه يوجد مجال كهربائي عند هذه النقطة المجال الكهربائي كمية متجهة لها مقدار واتجاه الوحدة: القوة N و الشحنة C شدة المجال الكهربائي: E q F =

مجال الجاذبية يشبه مفهوم المجال الكهربائي مجال الجاذبية الأرضية أي كتله قريبة من سطح الأرض تؤثر عليها قوة تتجه إلى الأسفل تعطى بالعلاقة حيث متجه مجال الجاذبية والذي يكون ثابت في المقدار والاتجاه بالمثل المجال الكهربائي مجال الجاذبية الأرضية الشحنة الكهربائية الكتلة = F m g g

المجال الكهربائي الناتج من شحنة أحادية E = kQ/r2 المجال الكهربائي الناتج من الشحنة عند نقطة تبعد مسافة من الشحنة اتجاه المجال الكهربائي الناتج من شحنة معزولة إذا كانت يكون اتجاه المجال خارجا من الشحنة وإذا كانت يكون اتجاه المجال داخل إلى الشحنة

مميزات خطوط المجال الكهربائي خط المجال الكهربائي: هو المسار الذي تسلُكه شحنة اختبار موجبة حرة الحركة عند وضعها في المجال. مميزات خطوط المجال الكهربائي تبدأ خطوط المجال الكهربائي من الشحنة الموجبة وتنتهي عند الشحنة السالبة. * تتناسب كثافة خطوط المجال طردياً مع مقدار الشحنة الكهربائية. * نحدد اتجاه المجال الكهربائي عند أي نقطة بنفس اتجاه المماس عند تلك النقطة. * خطوط المجال الكهربائي خطوط وهمية تبين مسار وإتجاه حركة شحنة اختبار موجبة توضع في النقطة المراد إيجاد شدة المجال عليها.

المجال الكهريائي واتجاهه حول شحنتين نقطيتين مختلفتين

المجال الكهريائي واتجاهه حول شحنتين نقطيتين متماثلتين موجبتين

المجال المنتظم المجال المنتظم هو المجال الذي تكون شدته ثابتة مقدارا واتجاها عند جميع نقاطه

حركة جسيم مشحون في مجال كهربائي منتظم F = qE - سوف تؤثر عليه قوة ثابته F = qE = ma - فيتحرك بعجلة منتظمة a = F/m a = qE/m

حركة شحنة سالبة قذفت عموديا على خطوط مجال كهربائي منتظم

جدول مقارنة بين جسيمات موضوعة في مجال كهربائي منتظم وجه المقارنة بروتون( موجب) إلكترون( سالب) نيوترون(عديم الشحنة) ماذا يحدث عند وضعه ساكناً في مجال كهربائي منتظم؟؟ يتأثر بقوة >>ثابتة<< ( يتحرك) (يتحرك) لا يتأثر بأي قوة ( يبقى ساكناً) مقدار القوة المؤثرة عليه: F=E/q صفرF= اتجاه هذه القوة : مع اتجاه المجال عكس اتجاه المجال لا تؤثر عليه قوة اتجاه الحركة: لا يتحرك مقدار العجلة : a=Eq/m a=zero لأنه لا يتأثر بأي قوة أكبر طاقة وضع عند اللوح الموجب عند اللوح لسالب صفر أكبر طاقة حركة: عند اللوح السالب أكبر سرعة ( تعتمد على طاقة الحركة )

الجهد الكهربي Electric Potential الجهد الكهربائي عند نقطة هو طاقة الوضع الكهربائية التي تختزنها وحدة الشحنات الموجبة عند نقطة في مجال شحنة كهربائية .   يمكن باستخدام هذا القانون لإيجاد الجهد الكهربي لنقطة تبعد عن شحنة أو أكثر عن طريق الجمع الجبري للجهد الكهربي الناشئ عن كل شحنة على حده عند النقطة المراد إيجاد الجهد الكلى عندها أي : V = V1 + V2 + V3 + ...........+ Vn

فرق الجهد الكهربائي بين نقطتين هو الشغل المبذول لنقل وحدة الشحنات الموجبة بين النقطتين عكس اتجاه المجال .

The Equipotential surfaces مستويات تساوي الجهد :

السعة الكهربائية نقول إن الإناء واسع إذا كان يستوعب كمية أكبر من المادة. وكذلك في الكهرباء نقول ان السعة الكهربائية للجسم كبيرة إذا كان يستوعب كمية كبيرة من الشحنات.

مقدار الجهد الكهربائي لموصل يتناسب طردياً مع شحنة هذا الجسم q النسبة بين كمية شحنة الموصل وجهده الناشئ عنها ( ميل الخط المستقيم ) مقدار ثابت . ويعرف هذا الثابت بالسعة الكهربائية لموصل. V وحدة قياس السعة الكهربائية هي الفاراد الفاراد هو السعة الكهربائية لموصل إذا أعطي شحنة مقدارها 1كولوم تغير جهده بمقدار 1فولت.

المكثف الكهربائي المكثف الكهربائي هو جهاز يعمل على تخزين الطاقة الكهربائية. يتركب من لوحين متوازيين يفصل بينهما مادة عازلة. + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ + _ يوصل أحد لوحي المكثف مع القطب السالب لبطارية واللوح الثاني مع القطب الموجب. فيصبح اللوح الأول مشحوناً بشحنة سالبة والثاني مشحوناً بشحنة موجبة.

- ما هي فكرة عمل المكثف المستوي ؟ - ما هي فكرة عمل المكثف المستوي ؟ 1. اشحن لوحا معدنيا ( A ) بشحنة كهربائية موجبة ثم صل اللوح بقرص الكشاف الكهربائي الذي تتصل قاعدته بالأرض . ( A )

2. قرب من اللوح (A ) لوحا آخر ( B ) مماثلا ومعزولا وغير مشحون . ماذا يحدث لورقتي الكشاف ؟ ولماذا ؟

ماذا تلاحظ على ورقتي الكشاف ؟ ولماذا ؟ 3. صل اللوح (B ) بالأرض . ماذا تلاحظ على ورقتي الكشاف ؟ ولماذا ؟ ( A ) ( B ) تسمى مجموعة اللوحين في هذه الحالة باسم المكثف الكهربائي ويرمز له بالرمز :

* ما المقصود بسعة المكثف الكهربائي ؟ * ما المقصود بسعة المكثف الكهربائي ؟ تقدر سعة المكثف بكمية الشحنة اللازمة لتغيير جهده بمقدار واحد فولت . C = q / V * ما المقصود بشحنة المكثف الكهربائي ؟ هي شحنة أحد لوحيه لأن المجموع الجبري لشحنة المكثف يساوي صفر . * ما المقصود بجهد المكثف الكهربائي ؟ هو فرق الجهد بين لوحي المكثف أو جهد أحد اللوحين إذا كان الآخر موصلا بالأرض .

العوامل التي تؤثر على سعة المكثف { A } 1- المساحة المتقابلة من اللوحين. 2- البعد بين اللوحين. 3- نوع الوسط العازل بين اللوحين. { d } { ε }

1. المساحة المشتركة للوحيه ( A ) : ماذا يحدث عند إنقاص المساحة المشتركة بين لوحي المكثف ؟ ( A ) ( B ) عند ثبات المسافة بين اللوحين ونوع المادة العازلة التي تفصل بينهما فإن سعة المكثف تتناسب طرديا مع المساحة المشتركة للوحيه . C  A

2. المسافة بين اللوحين ( d ) : ماذا يحدث عند زيادة البعد بين لوحي المكثف ؟ عند ثبات المساحة المشتركة بين اللوحين ونوع المادة العازلة التي تفصل بينهما فإن سعة المكثف تتناسب عكسيا مع المسافة بين لوحي المكثف . ( A ) ( B ) C  1 / d

تزداد السعة الكهربائية لمكثف . 3 . نوع المادة العازلة بين اللوحين : ماذا يحدث عند تغيير المادة العازلة بين لوحي المكثف ؟ تزداد السعة الكهربائية لمكثف . ( A ) ( B ) لماذا ؟ لماذا ؟ لماذا ؟

تحدث إزاحات بسيطة لكل من أنوية ذرات المادة العازلة وذلك باتجاه اللوح السالب وإلكتروناتها باتجاه اللوح الموجب دون أن تنفصل عن بعضها البعض فيتولد مجال كهربائي داخل المادة العازلة معاكس لاتجاه المجال الكهربائي بين اللوحين فتقل شدة المجال الكهربائي وتبعا لها يقل الجهد حيث : ( A ) ( B ) E V = E . d وتزدادالسعة الكهربائية للمكثف حيث : C = q / V ويسمى ذلك بالاستقطاب

C  A , C  1 / d  C  A / d C = Cons. A / d C =  A / d مما سبق نستنتج أن : C  A , C  1 / d  C  A / d C = Cons. A / d C =  A / d معامل النفاذية الكهربائية للمادة العازلة ما وحدات قياس معامل النفاذية الكهربائية ؟ وعلى ماذا يتوقف ؟ f / m ويتوقف على الوحدات المستخدمة وعلى نوع المادة العازلة .

ما مقدار معامل النفاذية الكهربائية الكهربائية للهواء أو الفراغ؟ 0 = 8.85 x 10 –12 f \ m ما العلاقة الرياضية التي تربط بين معامل النفاذية للهواء أو الفراغ ومعامل النفاذية لأي مادة عازلة أخرى ؟  =  0 ثابت العازلية  C =  0 A / d  C =  C0 إذن ما المقصود بثابت العازلية الكهربائية للمادة العازلة ؟ هو النسبة بين سعة المكثف تفصل بين لوحيه مادة عازلة غير الهواء إلى سعته إذا حل الهواء محل هذه المادة

جدول ثابت العازلية لبعض المواد العازلة التي يمكن استخدامها في المكثفات ما مقدار ثابت العزل للهواء أو الفراغ ؟ هل له وحدات قياس ؟ ولماذا ؟  = 1 جدول ثابت العازلية لبعض المواد العازلة التي يمكن استخدامها في المكثفات المادة الماء الشمع البوليسترين البترول الميكا الزجاج الخزف الورق المطاط الكوارتز  80 22 26 23 7 7 - 4 8 - 6 7 - 3 2.8 4.3

مثال : إذا كانت مساحة كل من لوحي مكثف مستو (m2 0.5) والمسافة التي تفصل بين لوحيه ( 15 x 10 –4 m ) فاحسب سعة المكثف وفرق الجهد بين لوحيه مع العلم أن الوسط الفاصل مادة عازلة ثابت العازلية لها ( = 9 ) وأن الشحنة التي يحملها أحد اللوحين ( q = 3 x 10 –7 C ) و (0 = 8.85 x 10 –12 f \ m ) C =  0 A / d = ( 9 x 8.85 x 10-12 x 0.5 ) \ 15 x 10-4 = 2.66 x 10-8 f C = q \ V V = q \ C = 3 x 10 –7 \ 2.66 x 10-8 = 11.28 V

مكثف أبينوس

مكثف متغير السعة

المكثف أداة لتخزين الطاقة

توصيل المكثفات 1- التوصيل على التوالي:- 2- التوصيل على التوازي:- الفائدة منه:- الحصول على فرق جهد كبير. 1/Ceq = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 القانون:- مقلوب السعة المكافئة يساوي مجموع مقلوب سعات المكثفات في المجموعة 2- التوصيل على التوازي:- الفائدة منه:- الحصول على سعة كبيرة. Ceq = C1 + C2 + C3 القانون:-

تم بحمد الله