المجال الكهربائي لكرة مصمتة بإستخدام قانون جاوس
|
⚡ المجال الكهربائي لكرة مصمتة باستخدام قانون جاوس ⚡ Electric Field of a Solid Sphere Using Gauss's Law
حساب المجال الكهربائي داخل وخارج كرة مصمتة مشحونة
لحساب المجال الكهربائي عند نقطة داخل أو خارج كرة مصمتة مشحونة، نستخدم قانون جاوس الذي ينص على:
حيث:
- E: شدة المجال الكهربائي
- dA: العنصر التفاضلي لمساحة السطح المغلق
- Qinside: الشحنة المحصورة داخل السطح المغلق
- ε0: سماحية الفراغ
خطوات الحساب:
- نختار سطحاً كروياً تخيلياً (سطح جاوس) يمر بالنقطة المطلوب حساب المجال عندها
- نحسب التدفق الكهربائي عبر هذا السطح
- نحدد الشحنة المحصورة داخل سطح جاوس
- نطبق قانون جاوس لحساب شدة المجال
حالة النقطة داخل الكرة \( r < R \)
عندما تكون النقطة داخل الكرة \( r < R \)، فإن سطح جاوس سيكون كرة نصف قطرها \( r \) والشحنة المحصورة داخل هذا السطح هي جزء من الشحنة الكلية.
بما أن الشحنة موزعة بانتظام، يمكننا استخدام التناسب بين الحجوم والشحنات:
حيث \( K = \frac{1}{4\pi\epsilon_0} \) هو ثابت كولوم.
ملاحظة: المجال داخل الكرة يتناسب طردياً مع البعد عن المركز \( E \propto r \).
حالة النقطة خارج الكرة \( r > R \)
عندما تكون النقطة خارج الكرة \( r > R \)، فإن سطح جاوس سيكون كرة نصف قطرها \( r \) والشحنة المحصورة داخل هذا السطح هي الشحنة الكلية للكرة.
بتطبيق قانون جاوس:
ملاحظة: المجال خارج الكرة يتناسب عكسياً مع مربع البعد عن المركز \( E \propto \frac{1}{r^2} \).
ملاحظات هامة:
- المجال الكهربائي داخل الكرة المصمتة المشحونة يتناسب طردياً مع البعد عن المركز
- المجال الكهربائي خارج الكرة المصمتة المشحونة يتناسب عكسياً مع مربع البعد عن المركز
- عند سطح الكرة \( r = R \)، تكون قيمتا المجال من العلاقتين الداخلية والخارجية متساويتين
- الخط البياني للمجال مقابل البعد يظهر قيمة عظمى عند سطح الكرة
المحاكاة التفاعلية
نتيجة الحساب:
شدة المجال الكهربائي: 0.0 نيوتن/كولوم
الموقع: خارج الكرة
التمثيل المرئي للكرة والمجال
العلاقة بين شدة المجال والبعد عن المركز
\[1 \star \star \star\]
تم رسم العلاقة بين المجال والبعد عن مركز كرة مشحونة مصمتة غير موصلة
فكان الخط البياني التالي. فإن مقدار المجال عند نقطة تبعد عن مركز الكرة
مسافة \( 0.15 \, \text{m} \) تعادل
أختر الإجابة الصحيحة
Calculating Electric Field Inside and Outside a Charged Solid Sphere
To calculate the electric field at a point inside or outside a charged solid sphere, we use Gauss's law which states:
Where:
- E: Electric field intensity
- dA: Differential area element of the closed surface
- Qinside: Charge enclosed within the closed surface
- ε0: Permittivity of free space
Calculation Steps:
- We choose an imaginary spherical surface (Gaussian surface) passing through the point where we want to calculate the field
- We calculate the electric flux through this surface
- We determine the charge enclosed within the Gaussian surface
- We apply Gauss's law to calculate the field intensity
Case of Point Inside the Sphere \( r < R \)
When the point is inside the sphere \( r < R \), the Gaussian surface will be a sphere of radius \( r \), and the charge enclosed within this surface is part of the total charge.
Since the charge is uniformly distributed, we can use the proportionality between volumes and charges:
Where \( K = \frac{1}{4\pi\epsilon_0} \) is Coulomb's constant.
Note: The field inside the sphere is directly proportional to the distance from the center \( E \propto r \).
Case of Point Outside the Sphere \( r > R \)
When the point is outside the sphere \( r > R \), the Gaussian surface will be a sphere of radius \( r \), and the charge enclosed within this surface is the total charge of the sphere.
By applying Gauss's law:
Note: The field outside the sphere is inversely proportional to the square of the distance from the center \( E \propto \frac{1}{r^2} \).
Important Notes:
- The electric field inside a charged solid sphere is directly proportional to the distance from the center
- The electric field outside a charged solid sphere is inversely proportional to the square of the distance from the center
- At the surface of the sphere \( r = R \), the field values from both internal and external relationships are equal
- The graph of field versus distance shows a maximum value at the surface of the sphere
Interactive Simulation
Calculation Result:
Electric Field Intensity: 0.0 N/C
Location: Outside the sphere
Sphere and Field Visualization
Field Intensity vs Distance Relationship
\[1 \star \star \star\]
The relationship between the field and distance from the center of a charged
non-conducting solid sphere was plotted, resulting in the following graph.
The magnitude of the field at a point at a distance of \( 0.15 \, \text{m} \) from the center
equals
Choose the correct answer
⚡ اختبار: المجال الكهربائي - كرة مصمتة مشحونة ⚡ Quiz: Electric Field - Charged Solid Sphere
13 سؤالاً شاملاً مع أسئلة حسابية 13 comprehensive questions with calculations
Physics
No comments:
Post a Comment