نیروی وارد بر بار الکتریکی در میدان الکتریکی- تعیین اندازه و جهت نیرو

نیروی وارد بر بار الکتریکی در میدان الکتریکی

اگر بار الکتریکی q در میدان الکتریکی E قرار گیرد، نیروی وارد بر بار الکتریکی در میدان الکتریکی از رابطه زیر بدست می آید :

و برای تعیین جهت نیروی الکتریکی باید به نکته زیر توجه کنیم :

اگر بار الکتریکی مثبت باشد، F و E هم جهتند و اگر بار الکتریکی منفی باشد ، F و E خلاف جهت هم اند.

میدان الکتریکی یکنواخت: اگر خط های میدان در ناحیه ای از فضا با یکدیگر موازی ، هم فاصله و هم جهت باشند ، به آن میدان الکتریکی یکنواخت گویند. به طور مثال در شکل زیر، در فضای بین دو صفحه و دور از لبه ها، خطوط میدان مستقیم و هم فاصله و موازی اند. یعنی در همه نقاط بردار میدان هم اندازه و هم جهت است. به چنین میدانی، میدان الکتریکی یکنواخت گویند.

مثال : ذره ای مثبت با بار الکتریکی q=2µC در داخل میدان الکتریکی یکنواختی به حال تعادل قرار دارد . اگر جرم ذره ۲ گرم باشد ، اندازه و جهت میدان الکتریکی را تعیین کنید. (g=10m/s²)

حل مثال: به ذره نیروی وزن به سمت پایین وارد می شود. برای اینکه ذره در حال تعادل باشد، باید نیرویی هم اندازه و در خلاف جهت نیروی وزن به آن وارد شود. که این نیرو ناشی از قرار گرفتن ذره باردار در میدان الکتریکی است. و چون ذره مثبت است، جهت E باید در جهت نیروی F باشد یعنی به سمت بالا است. مطابق شکل زیر:

ویدیو آموزشی

در ویدیو آموزشی زیر که توسط استاد مصطفی کبیری آماده شده است، به چگونگی محاسبه و تعیین جهت نیروی وارد بر بار الکتریکی در میدان الکتریکی پرداخته می شود.

مشاهده در یوتیوب | مشاهده در آپارات

تمرین ها

تمرین ۱ : روی سطح بادکنکی به جرم ۱۰ گرم بار الکتریکی q=-200nC ایجاد می کنیم و آن را در یک میدان الکتریکی قرار می دهیم. بزرگی و جهت این میدان الکتریکی را در صورتی که بادکنک معلق بماند، تعیین کنید. از نیروی شناوری وارد بر بادکنک چشم پوشی کنید.

تمرین ۲ : در یک میدان الکتریکی یکنواخت قائم رو به پایین ، ذره ای باردار به جرم ۵ گرم معلق و در حال سکون است . اگر بزرگی میدان الکتریکی ۱۰۰۰ نیوتون بر کولن باشد . اندازه و نوع بار الکتریکی را تعیین کنید.

تمرین ۳: مطابق شکل، یک غبار دارای بار الکتریکی q=1×۱۰^-۱۵C و جرم m=1×۱۰^-۸g است. در میدان الکتریکی یکنواخت E=1.2×۱۰۵N/C بین دو صفحه افقی قرار گرفته است. اگر غبار در ابتدا ساکن و در نقطه A به فاصله ۴ سانتی متر از صفحه بالایی قرار داشته باشد، شتاب حرکت غبار را تا رسیدن به صفحه بالایی حساب کنید.

تمرین ۴: مطابق شکل مثابل، گلوله آونگی به جرم ۸ گرم و بار الکتریکی q=6µC در میدان الکتریکی یکنواخت E به حال تعادل قرار دارد. بزرگی میدان الکتریکی چند نیوتون بر کولن است؟

تمرین ۵: می خواهیم در یک میدان الکتریکی یکنواخت قائم رو به پایین به بزرگی E=1×۱۰^۴N/C ، ذره ای به جرم ۸ گرم را معلق نگه داریم. چه تعداد الکترون باید به این ذره بدهیم تا ذره در میدان الکتریکی معلق بماند؟ (e=1.6×۱۰^-۱۹C , g=10m/s²)