Search

 
 

المجال الكهربائي لكرة مصمتة بإستخدام قانون جاوس
Electric field of a solid sphere using Gauss's law

⚡ 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:

\[ \oint E \cdot dA = \frac{Q_{inside}}{\epsilon_0} \]

حيث:

  • E: شدة المجال الكهربائي
  • dA: العنصر التفاضلي لمساحة السطح المغلق
  • Qinside: الشحنة المحصورة داخل السطح المغلق
  • ε0: سماحية الفراغ

خطوات الحساب:

  1. نختار سطحاً كروياً تخيلياً (سطح جاوس) يمر بالنقطة المطلوب حساب المجال عندها
  2. نحسب التدفق الكهربائي عبر هذا السطح
  3. نحدد الشحنة المحصورة داخل سطح جاوس
  4. 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:

\[ \frac{q_{inside}}{q_{total}} = \frac{V_{inside}}{V_{total}} = \frac{\frac{4}{3}\pi r^3}{\frac{4}{3}\pi R^3} = \frac{r^3}{R^3} \]
\[ q_{inside} = q_{total} \frac{r^3}{R^3} \]
\[ \oint E \cdot dA = E \cdot 4\pi r^2 = \frac{q_{inside}}{\epsilon_0} \]
\[ E = \frac{q_{total} \cdot r}{4\pi R^3 \epsilon_0} = \frac{K \cdot q_{total} \cdot r}{R^3} \]

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:

\[ E \times 4\pi r^2 = \frac{Q}{\epsilon_0} \]
\[ E = \frac{q_{total}}{4\pi r^2 \epsilon_0} = \frac{K \cdot q_{total}}{r^2} \]

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

1.0 m
5.0 μC
1.5 m

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


A
\[E = 2800 \, \text{N/C}\]
B
\[E = 3000 \, \text{N/C}\]
C
\[E = 2700 \, \text{N/C}\]
D
\[E = 2900 \, \text{N/C}\]

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:

\[ \oint E \cdot dA = \frac{Q_{inside}}{\epsilon_0} \]

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:

  1. We choose an imaginary spherical surface (Gaussian surface) passing through the point where we want to calculate the field
  2. We calculate the electric flux through this surface
  3. We determine the charge enclosed within the Gaussian surface
  4. 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:

\[ \frac{q_{inside}}{q_{total}} = \frac{V_{inside}}{V_{total}} = \frac{\frac{4}{3}\pi r^3}{\frac{4}{3}\pi R^3} = \frac{r^3}{R^3} \]
\[ q_{inside} = q_{total} \frac{r^3}{R^3} \]
\[ \oint E \cdot dA = E \cdot 4\pi r^2 = \frac{q_{inside}}{\epsilon_0} \]
\[ E = \frac{q_{total} \cdot r}{4\pi R^3 \epsilon_0} = \frac{K \cdot q_{total} \cdot r}{R^3} \]

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:

\[ E \times 4\pi r^2 = \frac{Q}{\epsilon_0} \]
\[ E = \frac{q_{total}}{4\pi r^2 \epsilon_0} = \frac{K \cdot q_{total}}{r^2} \]

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

1.0 m
5.0 μC
1.5 m

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


A
\[E = 2800 \, \text{N/C}\]
B
\[E = 3000 \, \text{N/C}\]
C
\[E = 2700 \, \text{N/C}\]
D
\[E = 2900 \, \text{N/C}\]

⚡ اختبار: المجال الكهربائي - كرة مصمتة مشحونة ⚡ Quiz: Electric Field - Charged Solid Sphere

13 سؤالاً شاملاً مع أسئلة حسابية 13 comprehensive questions with calculations

اكتب تعليقا واذا كان هناك خطأ اكتبه وحدد مكانه Write a comment, and if there is mistake, write and specify its location

No comments:

Post a Comment

🧮 Calculator
🗑️
✏️ قلم