ملخص الفيزياء تانية ثانوي، الترم التاني المجال الكهربائي المنتظم وفرق الجهد

أهداف التعلم

• يستطيع الطالب أن يعرّف المجال الكهربائي المنتظم ويشرح سبب تجانسه في جميع النقاط بين لوحين متوازيين.
• يستطيع الطالب أن يربط بين فرق الجهد (V) وشدة المجال (E) والمسافة (d) باستخدام العلاقة ‎V = E d‎.
• يستطيع الطالب أن يقرأ مخطط ‎V–x‎ ويستنتج شدة المجال من ميل المنحنى.
• يستطيع الطالب أن يحدد اتجاه المجال الكهربائي من الجهد الأعلى إلى الجهد الأقل.
• يستطيع الطالب أن يحسب القوة الكهروستاتيكية المؤثرة على شحنة موضوعة في مجال منتظم باستخدام ‎F = q E‎.
• يستطيع الطالب أن يطبق القوانين السابقة على مسائل عددية ويقيم صحة النتائج.

---

المصطلحات والتعريفات العلمية

• المجال الكهربائي المنتظم: المجال الذي له نفس الشدة والاتجاه في كل نقطة داخل المنطقة بين لوحين متوازيين. (الوحدة: فولت لكل متر V/m أو نيوتن لكل كولوم N/C)
• فرق الجهد (الجهد الكهربائي): الفرق بين قيمتي الجهد عند نقطتين، ويسمى أيضاً الفولتية. (الوحدة: فولت V)
• شدة المجال الكهربائي (E): مقدار المجال في نقطة معينة، يعرّف بأنه القوة المؤثرة على وحدة شحنة موجبة. (الوحدة: فولت لكل متر V/m أو نيوتن لكل كولوم N/C)
• القوة الكهروستاتيكية (F): القوة التي تؤثر على شحنة q في مجال كهربائي. (الوحدة: نيوتن N)
• الشحنة (q): خاصية فيزيائية للمادة تجعلها تتفاعل مع المجالات الكهربائية. (الوحدة: كولوم C)
• اللوح المتوازي: زوج من الألواح المعدنية الكبيرة المتقابلة التي تُطبق عليها فرق جهد لتوليد مجال كهربائي منتظم. (الوحدة: لا توجد وحدة)
• الجهد العالي / الجهد المنخفض: الجهد على اللوح الموجب يُسمّى جهدًا عاليًا، وعلى اللوح السالب يُسمّى جهدًا منخفضًا. (الوحدة: فولت V)
• المخطط ‎V–x‎: رسم يوضح علاقة الجهد V بموقع x على خط مستقيم بين اللوحين. (الوحدة: V على المحور الرأسي، m على المحور الأفقي)

---

القوانين والمعادلات الفيزيائية

علاقة فرق الجهد بالمجال والمسافة

V = E × d

حيث:

شرط التطبيق: تُستعمل عندما يكون المجال منتظمًا ويكون الاتجاه من اللوح الموجب إلى السالب.

مثال عددي: إذا كان فرق الجهد 12 V والمسافة 0.3 m، فإن شدة المجال E = V ÷ d = 12 ÷ 0.3 = 40 V/m.

---

حساب شدة المجال من المخطط ‎V–x‎

E = V ÷ x

حيث:

شرط التطبيق: يُطبق عندما يكون المخطط خطًا مستقيمًا، أي عندما يكون المجال منتظمًا.

مثال عددي: من مخطط يُظهر أن الجهد ينخفض من 20 V إلى 0 V على مسافة 0.50 m، فإن E = 20 ÷ 0.50 = 40 V/m.

---

القوة الكهروستاتيكية على شحنة في مجال منتظم

F = q × E

حيث:

شرط التطبيق: تُستعمل عندما تكون الشحنة موضوعة في مجال منتظم؛ اتجاه القوة يكون مع اتجاه المجال إذا كانت الشحنة موجبة، ومعاكسًا إذا كانت سالبة.

مثال عددي: شحنة +1.2 × 10⁻⁷ C في مجال 40 V/m ينتج عنها قوة F = 1.2 × 10⁻⁷ × 40 = 4.8 × 10⁻⁶ N باتجاه المجال.

---

المجال الكهربائي المنتظم بين لوحين متوازيين

المجال الكهربائي المنتظم يُنتج عندما تُوضع لوحين معدنيين كبيرين ومتوازيين على مسافة ثابتة d، ويُطبق بينهما فرق جهد ثابت V. بسبب تماثل اللوحين لا توجد نقاط مميزة تجعل المجال يتغير؛ لذا يصبح شدة المجال ثابتة في كل مكان داخل الفجوة.

شرح مفصل

1. تجانس المجال: كل نقطة داخل الفجوة ترى نفس القوة على شحنة اختبارية، لأن اللوحين يبدوان متساويين في كل الاتجاهات. لا توجد حواف أو نقاط قريبة تُغيّر المجال.
2. العلاقة الخطية بين الجهد والمسافة: عندما يتحرك شحنة من اللوح الموجب إلى السالب، ينخفض الجهد بمعدل ثابت؛ أي أن كل خطوة مسافة Δx تُقابلها انخفاض جهد ثابت ΔV. وهذا ينعكس في مخطط ‎V–x‎ كخط مستقيم.
3. اتجاه المجال: المجال يَسير من الجهد العالي (اللوح الموجب) إلى الجهد المنخفض (اللوح السالب). لذلك فإن اتجاه القوة على شحنة موجبة هو من الأعلى إلى الأسفل في المخطط.
4. الاستفادة العملية: العلاقة ‎V = E d‎ تسمح للمعلم والطالب بقياس شدة المجال باستخدام مسطرة وفولتميتر فقط، دون الحاجة إلى أدوات معقدة.

نقاط رئيسية

• شدة المجال تُقاس بوحدات V/m أو N/C.
• الخط المستقيم في مخطط ‎V–x‎ يدل على تجانس المجال.
• ميل الخط يساوي شدة المجال ويُعطي قيمة عددية مباشرة.
• القوة على شحنة موجبة تكون في نفس اتجاه المجال، وعلى شحنة سالبة تكون عكسه.

---

القوة الكهروستاتيكية على شحنة موضوعة في المجال

عند وضع شحنة q داخل مجال منتظم E، تتعرض لقوة تُعطى بالمعادلة ‎F = q E‎. هذه القوة هي السبب في حركة الشحنة داخل الفجوة بين اللوحين.

شرح مفصل

1. حساب القوة: بمجرد معرفة قيمة الشحنة وشدة المجال، يمكن حساب مقدار القوة بسهولة.
2. اتجاه القوة: إذا كانت الشحنة موجبة، فإن القوة تتجه مع المجال (من الجهد العالي إلى الجهد المنخفض). إذا كانت سالبة، فإنها تتجه عكس المجال.
3. تطبيق عملي: في التجربة التي تُقاس فيها الجهد على ورقة موصلة، يمكن وضع شحنة صغيرة على الورقة وملاحظة تحركها نحو اللوح السالب، مما يثبت اتجاه القوة.
4. العلاقة مع الطاقة: العمل الذي تقوم به القوة عندما تتحرك الشحنة مسافة d يساوي ‎q E d‎، وهو يساوي أيضاً ‎q V‎ لأن ‎V = E d‎.

جدول مقارنة (قوة على شحنة موجبة vs شحنة سالبة)

---

تطبيقات محلولة

مثال 1

المعطى: لوحان متوازيان يبعدان عن بعضهما 0.40 m، فرق الجهد بينهما 16 V.
المطلوب: حساب شدة المجال واتجاهه.

الحل:

1. شدة المجال E = V ÷ d = 16 ÷ 0.40 = 40 V/m.
2. المجال يَسير من اللوح الموجب (الجهد العالي) إلى اللوح السالب (الجهد المنخفض).

الإجابة: E = 40 V/m، الاتجاه من اللوح الموجب إلى السالب.

---

مثال 2

المعطى: شحنة +2.5 × 10⁻⁸ C موضوعة في المجال السابق (E = 40 V/m).
المطلوب: حساب القوة الكهروستاتيكية واتجاهها.

الحل:

1. F = q E = 2.5 × 10⁻⁸ × 40 = 1.0 × 10⁻⁶ N.
2. لأن الشحنة موجبة، فإن الاتجاه هو مع اتجاه المجال (من الأعلى إلى الأسفل).

الإجابة: F = 1.0 × 10⁻⁶ N باتجاه المجال.

---

أخطاء شائعة في الامتحان

1. خلط الاتجاه: يخطئ كثير من الطلاب بكتابة أن المجال يَسير من الجهد المنخفض إلى الجهد العالي؛ الصحيح هو العكس.
2. استخدام المسافة الخطأ: يُستعمل أحيانًا نصف المسافة بين اللوحين بدلاً من المسافة الكاملة d في علاقة ‎V = E d‎.
3. نسيان وحدة N/C: عند حساب شدة المجال من القوة، يجب تحويل النتيجة إلى V/m أو N/C؛ لا يجوز تركها بوحدات غير متوافقة.
4. إهمال إشارة الشحنة: في حساب القوة، يجب مراعاة إشارة الشحنة لتحديد اتجاه القوة؛ إغفال ذلك يؤدي إلى إجابة خاطئة في أسئلة الاتجاه.

---

قائمة المراجعة السريعة

• [ ] تعريف المجال الكهربائي المنتظم وسبب تجانسه.
• [ ] كتابة علاقة V = E d وتحديد متى تُستعمل.
• [ ] حساب E من V وd باستخدام القسمة.
• [ ] قراءة مخطط V–x وتحديد ما إذا كان خطًا مستقيمًا.
• [ ] استخراج ميل الخط كقيمة E.
• [ ] معرفة أن المجال يَسير من الجهد العالي إلى الجهد المنخفض.
• [ ] كتابة معادلة F = q E وتحديد اتجاه القوة حسب إشارة الشحنة.
• [ ] تحويل V/m إلى N/C إذا لزم الأمر (القيمة نفسها).
• [ ] التحقق من وحدة كل مقدار (V، m، N، C).
• [ ] استخدام مسطرة وفولتميتر في التجربة العملية لتأكيد التجانس.
• [ ] مراجعة الأخطاء الشائعة وتجنبها.
• [ ] حل مسألة عددية على الأقل تشمل حساب E وF.

---

جميع معادلات الفصل دفعة واحدة

V = E × d
E = V ÷ d
E = V ÷ x
F = q × E

بالتوفيق في امتحاناتك!