در القای الکتریکی، جسم باردار بدون تماس میتواند بارهای آزادِ یک رسانای خنثی را از هم جدا کند، اما بهتنهایی بار خالص رسانا را تغییر نمیدهد. برای باقیماندن بار پس از دورکردن جسم القاکننده، معمولاً باید رسانا را در حضور آن به زمین وصل کنیم، ابتدا اتصال زمین را قطع کنیم و سپس جسم القاکننده را دور کنیم. بار نهایی رسانا خلاف علامت بار جسم القاکننده است. در الکتروسکوپ نیز بازشدن برگکها نتیجه همنامشدن بار آنهاست؛ با دنبالکردن جابهجایی الکترونها میتوان وضعیت هر مرحله را بدون حفظکردن شکلها تعیین کرد.
القای الکتریکی با باردارشدن چه تفاوتی دارد؟
در یک رسانا، بخشی از الکترونها میتوانند درون جسم جابهجا شوند. اگر میلهای منفی را به رسانای خنثی نزدیک کنیم، الکترونهای رسانا از میله دور میشوند؛ بخش نزدیک میله کمبود الکترون و بخش دورتر فزونی الکترون پیدا میکند. مجموع بار رسانا هنوز صفر است، زیرا هیچ الکترونی وارد یا خارج نشده است.
این جدایی بار را القا یا قطبش بار در رسانا مینامیم. اگر میله را بدون تماس و بدون اتصال زمین دور کنیم، توزیع بار دوباره تقریباً یکنواخت میشود و رسانا خنثی میماند. پس مشاهده ناحیههای مثبت و منفی روی یک رسانای خنثی به معنی ایجاد بار خالص نیست.
- نزدیککردن بدون تماس: توزیع بار تغییر میکند، نه بار خالص.
- تماس: امکان انتقال الکترون میان دو جسم وجود دارد.
- اتصال زمین: امکان تبادل الکترون با زمین را فراهم میکند.
باردارکردن رسانا با القا و اتصال زمین را بهترتیب انجام بده
فرض کن میله القاکننده بار منفی دارد. آن را بدون تماس به کره رسانای خنثی نزدیک میکنیم؛ الکترونها به سمت دور کره رانده میشوند. در حالی که میله همانجا مانده است، کره را به زمین وصل میکنیم. بخشی از الکترونهای راندهشده از کره به زمین میروند و کره کمبود الکترون پیدا میکند.
اکنون باید نخست اتصال زمین را قطع کنیم و میله را هنوز نگه داریم. با این کار، الکترونهای ازدسترفته دیگر راه بازگشت ندارند. سپس میله را دور میکنیم و بار مثبت باقیمانده روی سطح رسانا پخش میشود. اگر میله مثبت باشد، مسیر الکترونها برعکس است: الکترون از زمین وارد رسانا میشود و بار نهایی رسانا منفی خواهد بود.
- ۱) القاکننده را نزدیک کن؛ تماس نده.
- ۲) در حضور القاکننده، رسانا را به زمین وصل کن.
- ۳) ابتدا اتصال زمین را قطع کن.
- ۴) در پایان القاکننده را دور کن.
چرا ترتیب قطع اتصال زمین و دورکردن میله مهم است؟
تا وقتی اتصال زمین برقرار است، رسانا بخشی از یک مجموعه بزرگتر با امکان تبادل الکترون است. اگر پیش از قطع زمین، میله را دور کنیم، عامل جدایی بار حذف میشود و الکترونها میتوانند از مسیر زمین جابهجا شوند تا رسانا دوباره خنثی شود. در این حالت باری که قصد داشتیم نگه داریم باقی نمیماند.
برای حل تستهای ترتیبی، کنار هر مرحله دو یادداشت بنویس: «القاکننده حاضر است یا نه؟» و «راه زمین باز است یا بسته؟». سپس فقط حرکت الکترون را دنبال کن؛ در جامد رسانا پروتونهای هسته جابهجا نمیشوند. این روش از حفظکردن چند تصویر مشابه مطمئنتر است.
الکتروسکوپ چگونه وجود بار را نشان میدهد؟
الکتروسکوپ ساده یک کلاهک رسانا، میله رسانا و دو برگک سبک دارد. وقتی بار همنام روی دو برگک قرار بگیرد، برگکها یکدیگر را دفع میکنند و باز میشوند. هرچه زاویه بازشدگی بیشتر باشد، در یک دستگاه و شرایط یکسان معمولاً جدایی بار روی برگکها بیشتر است؛ اما از زاویه بهتنهایی نمیتوان مقدار دقیق بار را محاسبه کرد.
اگر جسم بارداری را به کلاهک الکتروسکوپ خنثی نزدیک کنیم، بارها در دستگاه بازتوزیع میشوند. برای مثال میله منفی، الکترونها را به سوی برگکها میراند؛ هر دو برگک منفیتر میشوند و از هم فاصله میگیرند، در حالی که بخش نزدیک کلاهک کمبود الکترون دارد. با دورکردن میله، اگر تماس یا اتصال زمین رخ نداده باشد، برگکها دوباره بسته میشوند.
علامت بار جسم را با الکتروسکوپ چگونه تشخیص بدهیم؟
الکتروسکوپ خنثی فقط وجود اثر الکتریکی را نشان میدهد و از بازشدن برگکهای آن نمیتوان مثبت یا منفیبودن جسم را فهمید؛ میله مثبت و منفی هر دو میتوانند با القا برگکها را باز کنند. برای تشخیص علامت، باید الکتروسکوپ از پیش باری با علامت معلوم داشته باشد.
اگر الکتروسکوپ مثلاً مثبت باشد و جسم مثبت را به کلاهک نزدیک کنیم، الکترونهای باقیمانده به سوی کلاهک کشیده میشوند و برگکها مثبتتر و معمولاً بازتر میشوند. با نزدیککردن جسم منفی، الکترونها به سوی برگکها رانده میشوند و در آغاز از بار مثبت برگکها میکاهند، پس برگکها جمعتر میشوند. نزدیککردن بیشازحدِ جسم مخالف میتواند پس از خنثیشدن موضعی، برگکها را با بار مخالف دوباره باز کند؛ بنابراین تغییر اولیه بازشدگی و فاصله کنترلشده مهم است.
- الکتروسکوپ خنثی: علامت بار مجهول را تعیین نمیکند.
- الکتروسکوپ با بار معلوم: بازترشدن اولیه معمولاً همنامبودن را نشان میدهد.
- جمعترشدن اولیه معمولاً نشانه مخالفبودن بار مجهول با بار الکتروسکوپ است.
مثال حلشده: میله مثبت و الکتروسکوپ خنثی
یک میله مثبت را بدون تماس به کلاهک الکتروسکوپ خنثی نزدیک میکنیم. میله مثبت، الکترونهای آزاد الکتروسکوپ را به سوی کلاهک میکشد. در نتیجه کلاهک فزونی الکترون و برگکها کمبود الکترون پیدا میکنند. هر دو برگک مثبت میشوند و از هم دور میشوند، اما بار خالص کل الکتروسکوپ هنوز صفر است.
در حضور میله، کلاهک را لحظهای به زمین وصل میکنیم. الکترون از زمین وارد الکتروسکوپ میشود. ابتدا اتصال زمین را قطع و سپس میله را دور میکنیم؛ الکترونهای اضافی در سراسر دستگاه پخش میشوند و الکتروسکوپ با بار خالص منفی باقی میماند. نتیجه با قاعده کنترل سازگار است: بار نهاییِ القایی خلاف بار میله است.
مسیر حل تستهای القا و خطاهای رایج
ابتدا وضعیت اولیه هر جسم را بنویس: خنثی، مثبت یا منفی. سپس رویدادها را دقیقاً به ترتیب صورت سؤال شمارهگذاری کن و در هر مرحله مشخص کن تماس، نزدیکی یا اتصال زمین رخ داده است. بهجای حرکت بار مثبت، جهت حرکت الکترونها را رسم کن و پس از هر قطع اتصال، بار خالص را دوباره ثبت کن.
سه خطای رایج عبارتاند از باردار دانستن رسانای صرفاً قطبیشده، تصور ورود بار مثبت از زمین و جابهجا کردن ترتیب قطع زمین و دورکردن القاکننده. در پایان کنترل کن که بدون تماس یا زمین، بار خالص رسانای خنثی نباید تغییر کرده باشد. برای تحلیل نیروی میان بارها راهنمای قانون کولن و برای تفکیک میدان، پتانسیل و انرژی راهنمای میدان یا پتانسیل الکتریکی را بخوان.
- بار خالص را با توزیع موضعی بار یکی نگیر.
- فقط الکترونهای متحرک رسانا را دنبال کن.
- ترتیب زمانی را بخشی از دادههای مسئله بدان.
- پاسخ را با پایستگی بار در مجموعه مناسب کنترل کن.
در مسئلههای القا، بار خالص و محل توزیع بار را دو موضوع جدا ببین. نزدیککردن جسم باردار به رسانای خنثی فقط جدایی بار ایجاد میکند؛ اتصال زمین راه ورود یا خروج الکترونها را باز میکند و ترتیب «قطع زمین، سپس دورکردن القاکننده» بار را ماندگار میسازد. در الکتروسکوپ، بازشدن برگکها نشاندهنده همنامبودن بار دو برگک است، نه بهتنهایی علامت بار. با ثبت وضعیت آغازین، مسیر الکترون و ترتیب رویدادها میتوان بیشتر سؤالهای مفهومی این مبحث را کنترل کرد.