گام به گام کتاب فیزیک (2) رشته تجربی

چرا وقتی روکش پلاستیکی را روی یک ظرف غذا می کشید و آن را در لبه های ظرف فشار می دهید، روکش در جای خود ثابت باقی می ماند؟

به هنگام جدا کردن روکش پلاستیکی از لوله ی پیچیده شده آن (به روش مالش) قسمت هایی از آن باردار می شود. روکش باردار شده می تواند لبه های ظرف پلاستیکی را قطبیده کند و نیروی جاذبه بین آن ها باعث ثابت باقی ماندن روکش شود.

عدد اتمی اورانیوم Z = 92است. بار الکتریکی هسته اتم اورانیم چقدر است؟ مجموع بار الکتریکی الکترون های اتم اورانیم (خنثی) چه مقدار است؟ بار الکتریکی اتم اورانیم (خنثی) چقدر است؟

هستۀ اورانیوم 92 پروتون دارد. بار الکتریکی هسته برابر است با:

اتم اورانیوم در حالت عادی 92 الکترون نیز دارد بار الکتریکی منفی اش برابر است با:

بنابراین بار الکتریکی اتم اورانیوم در حالت عادی صفر است. و اتم اورانیوم در حالت عادی خنثی است.

مطابق شکل، دو نی پلاستیکی را از نزدیکی یک انتهای آنها خم کنید و پس از مالش دادن با پارچه ای پشمی نزدیک یکدیگر قرار دهید. اگر نی ها به خوبی باردار شده باشند، نیروی دافعه آنها را می توانید به وضوح بر روی انگشتان خود حس کنید.

نی های پلاستیکی در اثر مالش با پارچه پشمی هر دو دارای بار منفی می شوند و همچنین دو جسم باردار همنام بریکدیگر نیروی الکتریکی وارد کرده و یکدیگر را می رانند.

سه ذره باردار مانند شکل زیر، روی یک خط راست قرار دارند و فاصله بارهای سمت راست و چپ از بار میانی برابر است.

الف) جهت نیروی الکتریکی خالص وارد بر بار الکتریکی میانی را تعیین کنند.
ب) اگر ذرهٔ سمت راست به جای q، بار  -q داشته باشد، جهت نیروی الکتریکی خالص وارد بر بار میانی چگونه خواهد بود؟

الف)

ب)

در مثال 1-3، نیروی خالص وارد بر بار q₂ را به دست آورید.

پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

سه ذرهٔ باردار مطابق شکل زیر، در سه گوشه یک مربع قرار دارند.
الف) جهت نیروی الکتریکی خالص وارد بر بار سمت راست پایینی را تعیین کنید.
ب) اگر ذرهٔ سمت چپ پایینی به جای ، qبار –q داشته باشد، جهت نیروی الکتریکی خالص وارد بر بار سمت راست پایینی چگونه خواهد بود؟

پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

در مثال 1-4 الف) اگر علامت بار q₃ تغییر کند جهت نیروی برایند وارد بر بار q₁ چگونه خواهد شد؟
ب( اگر علامت بار q₂ تغییر کند، جهت نیروی برایند وارد بر بار q₁ چگونه خواهد شد؟
پ) آیا اندازهٔ نیروی برایند وارد بر بار q₁ در قسمت های الف و ب با مقدار به دست آمده در مثال 1-4 متفاوت است؟

الف)

ب)

پ) با توجه به این که اندازۀ بار ها و همچنین فاصله های آنها تغییر نکرده، اندازۀ هر یک از نیرو ها و همچنین اندازۀ نیروی برایند وارد بر q₁ نیز تغییر نمی کند.

طبق مدل بور برای اتم هیدروژن، در حالت پایه فاصله الکترون از پروتون هسته برابر با (11-)^10 × 5/3 متر است.
الف) اندازهٔ میدان الکتریکی ناشی از پروتون هسته را در این فاصله تعیین کنید.
ب) در چه فاصله ای از پروتون هسته، بزرگی میدان الکتریکی برابر با بزرگی میدان الکتریکی حاصل از مولد واندوگراف مثال پیش در فاصله 1/0m از مرکز کلاهک آن است؟

الف)

ب)

شکل زیر، آرایشی از دو بار الکتریکی هم اندازه و غیرهمنام (دوقطبی الکتریکی) را نشان می دهد که در آن فاصله دو بار از هم 6cm است. میدان الکتریکی خالص را در نقطه های O و M به دست آورید.

پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

با توجه به شکل زیر توضیح دهید چرا یک میله باردار، خرده های کاغذ را می رباید؟

وقتی میلۀ باردار منفی را به خرد های کاغذ بدون بار نزدیک کنیم. مرکز بارهای مثبت و منفی اتمها و مولکولهای خرده کاغذ از هم جدا شده و اتم یا مولکول قطبیده می شود. بخش مثبت اتم قطبیده شده به طرف میله کشیده و بخش منفی از میله دور می شود و چون نیروی جاذبۀ کولنی به علت فاصبه کمتر قوی تر از نیروی دافعه کولنی است، بنابراین خرده های کاغذ جذب مسه باردار می شود.

میدان الکتریکی خالص حاصل از آرایش بار مثال 1-8 را در نقطه A تعیین کنید.

پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

درون یک ظرف شیشه ای یا پلاستیکی با عمق کم، مقداری پارافین مایع یا روغن کرچک به عمق حدود 0/5Cm بریزید و داخل آن دو الکترود نقطه ای قرار دهید. الکترودها را با سیم به پایانه های مثبت و منفی یک مولد ولتاژ بالا، مانند مولد واندوگراف وصل کنید. روی سطح پارافین، مقدار کمی بذر چمن یا خاکشیر بپاشید. مولد را روشن کنید. اکنون به سمت گیری دانه ها در فضای بین دو الکترود توجه کنید. شکل سمت گیری دانه ها در این فضا را رسم کنید.

خط میدان الکتریکی ناشی از دو بار نقطه ای مساوی. این نقش توسط دانه های بذر چمن شناور روی مایع در بالای دو سیم باردار تشکیل شده است (شکل زیر). میدان الکتریکی باعث قطبش دانه های بذر می شود که به نوبۀ خود موجب می شود که دانه ها با میدان هم خط شوند (شکل زیر).

به نظر شما چرا خطوط میدان الکتریکی برایند هرگز یکدیگر را قطع نمی کنند؟

فرض می کنیم که خطوط میدان در یک نقطه همدیگر را قطع می کنند، یعنی در آن نقطه دو جهت برای میدان وجود دارد به طوری که اگر بار آزمونی را در آن نقطه قرار دهیم، همزمان در دو جهت شروع به حرکت می کند که این امکان پذیر نیست، پس خطوط میدان همدیگر را قطع نمی کنند.

بار –q را در نقطه های A ، B و C  از میدان الکتریکی غیر یکنواخت شکل زیر قرار دهید و جهت نیروی الکتریکی وارد بر این بار منفی را تعیین کنید.

نیرویی الکتریکی وارد بر بار منفی در خلاف جهت میدان الکتریکی که در هر نقطه مماس بر خطوط میدان الکتریکی است.

تولید مثل برخی از گل ها به زنبورهای عسل وابسته است. گرده ها به واسطه میدان الکتریکی، از یک گل به زنبور و از زنبور به گل دیگر منتقل می شوند. در این باره تحقیق کنید.

زنبور های عسل معمولا در حین پرواز دار بار الکتریکی مثبت می شوند و وقتی به گرده بدون بار روی بساک یک گل می رسند میدان الکتریکی آنها روی گرده بار های مثبت و منفی القامی کند به طوری که آتن سمت گرده که به طرف زنبور است دارای بار منفی می شود و گرده به زنبور کشیده شده و گرده ها روی مویژه های ریز زنبور قرار می گیرند وقتی زنبور در اطراف گل دیگری پرواز می کند بار های منفی روی کلاله القا میکند و اگر نیروی وارد از کلاله بزرگتر از نیروی وارده از زنبور بر گرده باشد گرده به سمت کلاله کشیده و گرده افشانی صورت می گیرد.

روی سطح بادکنکی به جرم 10g بار الکتریکی -200 نانو کولن 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 به بادکنک چشم پوشی کنید.

با توجه به این که بادکنک تحت اثر نیروهای وزن الکتریکی در حالت تعادل قرار می گیرد و می دانیم که نیروی وزن در امتداد قائم رو به پایین است نیروی الکتریکی در امتداد قائم رو به بالا و هم اندازه با وزن بادکنک است.پس:

از طرفی می دانیم که نیروی الکتریکی وارد بر بار منفی در خلاف جهت میدان است، پس راستای میدان قائم و جهت آن رو به پایین است.

رسوب دهنده الکتروستاتیکی (ESP) دود و غبار را از گازهای زائدی که از دودکش کارخانه ها و نیروگاه ها بالا می آید جدا می سازد. رسوب دهنده ها انواع مختلفی دارند. در مورد اساس کار این رسوب دهنده ها تحقیق کنید. شکل های زیر تأثیر رسوب دهنده را در کاهش آلودگی هوای ناشی از یک دودکش نشان می دهد.

راه حل اول:

رسوب دهندۀ الکترواستاتاتیکی با ایجاد یک میدان الکتریکی ذرات موجود در گاز (عموما هوا) را از آن جدا می سازد.

این فیلتر به نام کرونای تخلیه است و با نور بنفش مشخص می شود باردار می شوند.

در مرحله دوم این ذرات که بار اشباع خود رسیده اند، توسط یک میدان الکتریکی قوی از جریان هوا جدا گردیده و بسوی یک الکترود که جهت خنثی سازی بار این ذران بکار می روئ حرکت کرده و در آنجا با از دست دادن بار خود بر روی یک بستر مناسب (تیغه های در نظر گرفته شده) نه نشین می شوند تیغه ها را هر چند روز یک بار ضربه زدن به وسیله یک چکش بزرگ و مخصوص که جزء فیلتر است. می تکانند تا دوباره آماده به کار شوند.

راه حل دوم

شکل زیر چگونگی کار یک الکتروستاتیکی را نشان می دهد. توری سیمی که میزان زیادی باردار مثبت شده است بین تیغه های فلزی متصل به زمین قرار دارد، به گونه ای که تخلیه الکتریکی مداومی بین توری و این تیغه ها روی می دهد. این تخلیه، جریان پیوسته ای از یون ها را به همراه دارد که خود را به ذره های غبار در گازی که از دودکش بالا می رود، متصل می کند ذره های باردار عبوری به سوی تیغه های متصل به زمین رانده می شوند و در آنجا رسوب می کند. پس از مدتی این تیغه ها را بازند ضره می تکانند و به این ترتیب ذره ها را جدا می کنند.

در هریک از شکل های زیر، با توجه به علامت بار ذرهٔ جا به جا شده، و جهت میدان الکتریکی  (E) ، جهت نیروی الکتریکی (F_E) و جهت جا به جایی ذره (d) تعیین کنید که :
الف) کار نیروی الکتریکی (W_E)  مثبت است یا منفی. ب) انرژی پتانسیل الکتریکی (U_E) کاهش یافته است یا افزایش.

الف)

ب)

پ)

ت)

در مثال 1_9 اگر جای قطب های باتری عوض شود و پروتون را در نقطه A از حالت سکون رها کنیم، پروتون با چه تندی ای به نقطه B می رسد؟

پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

الف) نشان دهید در یک میدان الکتریکی یکنواخت، با حرکت در سوی خطوط میدان، بدون توجه به نوع بار، پتانسیل الکتریکی کاهش می یابد و بالعکس با حرکت در خلاف جهت خطوط میدان، بدون توجه به نوع بار، پتانسیل الکتریکی افزایش می یابد.
ب) نشان دهید در میدان الکتریکی یکنواخت، با حرکت در جهت عمود بر خطوط میدان، پتانسیل الکتریکی تغییر نمی کند.

الف) این سوال یک بار برای بار مثبت و بار دیگر برای بار منفی حل می کنیم.

اگر بار مثبت q را از نقطۀ B جا به جا کنیم، با توجه به این که نیروی الکتریکی وارد بر بار منفی در خلاف جهت میدان است، کار میدان الکتریکی برابر است با:

اگر بار منفی q را از نقطۀ A  تا  B   جا به جا کنیم، با توجه به این که نیروی الکتریکی وارد بر بار منفی در خلاف جهت میدان است،کار میدان الکتریکی برابر است با:

نتیجه:

در هر دو حالت V_A بزرگتر از V_B می باشد. این یعنی پتانسیل الکتریکی در جهت میدان کاهش می یابد و به علامت بارمنتقل شده بستگی ندارد.

اگر بار مثبت q را در جهت میدان جا به جا کنیم.

اگر بار منفی q را در جهت میدان جا به جا کنیم.

نتیجه:

در هر دو حالت V_A بزرگتر از V_B می باشد. این یعنی پتانسیل الکتریکی در جهت میدان کاهش می یابد و به علامت بارمنتقل شده بستگی ندارد.

ب) اگر بار در راستای عمود بر خط های میدان حرکت کند، کار انجام شده توسط میدان الکتریکی صفر است و بنابراین V∆ صفر است.

اگر پایانه مثبت یک باتری 12ولتی را مرجع پتانسیل درنظر بگیریم، پتانسیل پایانه منفی آن چند ولت خواهد شد؟

 اگر پتانسیل پایانۀ مثبت را با V₊ و پتانسیل پایانۀ منفی را با V_- نشان دهیم. در این صورت:

عمل مغز اساساً بر مبنای کنش ها و فعالیت های الکتریکی است. سیگنال های عصبی چیزی جز عبور جریان های الکتریکی نیست. مغز این سیگنال ها را دریافت می کند و اطلاعات به صورت سیگنال های الکتریکی در امتداد اعصاب گوناگون منتقل می شوند. هنگام انجام هر عمل خاصی، سیگنال های الکتریکی زیادی تولید می شوند. این سیگنال ها حاصل کنش الکتروشیمیایی در یاخته های عصبی موسوم به نورون هستند. درباره چگونگی کار نورون ها تحقیق و به کلاس گزارش کنید.

نورون یک سلول قابل تحریک است که اطلاعات را با ارسال سیگنال الکتریکی و شیمیایی پردازش و منتقل می کند، هر نورون دارای یک جسم سلولی،دندریت ها، و یک آکسون و پایانه سیناپسی است. از لحاظ عملکردی یک نورون شامل بخش گیرنده (دندریت ها)، بخش ادغام (جسم سلولی) و بخش انتقال دهنده پیام عصبی (آکسون ها) می باشد. در هر نورون همۀ اطلاعات پردازش شده در یک جهت حرکت می کند، ک به این اصطلاح قطبیدگی می گویند.

همه نورون ها فعالیتشان هم الکتریکی است و هم شیمیایی. ارسال سیگنال شیمیایی از طریق سیناپس ها روی می دهد.نورون ها اجزای اصلی سیستم عصبی می باشند.

نورون ها دو نوعند، نورون حسی و نورون های حرکتی

نورون های حسی به لامسه،صدا،نور،و بسیاری از محرک های دیگر که بر روی سلول های اندام حسی تاثیر می گذارند،پاسخ داده و سیگنال ها را به نخاع و مغز ارسال می کند. پیام های عصبی شیمیایی پس از اینکه آکسون ها به دندریت ها منتقل می شوند به پیام های الکتریکی تبدیل شده، و به سایرپیام های الکتریکی دریافت شده از سیناپس های دیگر اضافه یا از آن کم می گردند و در نهایت براساس برآیند این پیام های الکتریکی در مورد اینکه پیام عصبی به محل دیگری منتقل گرددیا نه تصمیم گیری می شود.

نورون های حرکتی سیگنال ها را از مغز و نخاع دریافت کرده و به اندام های مختلف منتقل می کنند، انقضابات عضله را به وجود آورده و بر روی غده ها تاثیر می گذارند.

الف) در شکل شخصی را داخل یک قفس توری فلزی می بینید که نوعی از قفس فاراده است. در مورد قفس فاراده و کاربردهایش تحقیق و به کلاس گزارش کنید.
ب) تحقیق کنید چرا معمولاً شخصی که در داخل اتومبیل یا هواپیماست از خطر آذرخش در امان می ماند.
پ) با اعضای گروه خود آزمایش های دیگری را طراحی و اجرا کنید که نشان دهد بار اضافی داده شده به رسانا، روی سطح خارجی آن قرار می گیرد.

الف) قفس فاراده یک قفس یا فضای بستۀ ساخته شده از فلز یا رسنای الکتریکی دیگر است. مایکل فاراده در یک آزمایش، فردی را در یک قفس رسانای بزرگ قرار داد و آن را توسط مولدوندوگراف تا حدی باردار کرد که بار هایالکتریکی به صورت جرقه از گوشه های آن جریان پیدا می کردند و با وجود جرقه هایی که بیت قفس و مولد زده می شود. فرد درون قفس هیچ آسیبی نمی بیند. این آزمایش نشان داد که بار الکتریکی یک رسانای بسته روی سطح خارجی آن قرار می گیرد و بار خالصی در رسانا قرار نمی گیرد.

قفس فاراده علاوه بر اینکه محافظی در برابر امواج بیرونی است، به امواج درون خود نیز اجازۀ خروج نمی دهد. قفس فاراده در برابر نفوذ امواج رادیویی و تابش الکترومغناطیس نیز مقاوم است و این امواج نمی توانند به داخل آن نفوذ کنند.

ب) در هنگام برخورد آذرخش به اتومبیل یا هواپیما بندۀ فلزی آن به صورت یک قفس فاراده (مانند رسانای خنثای منزوی را در یک میدان الکتریکی خارجی قرار دهیم. الکترون های آزاد رسانا طوری روی سطح خارجی آن توزیع می شوند که اثر میدان خارجی درون رسانا را خنثی و میدان خالص درون رسانا را صفر کنند.)عمل می کند و مانع رسیدن امواج الکتریکی به سرنشینان درون اتومبیل یا مسافران درون هواپیما می شود.

پ) مطابق شکل دو آونگ الکتریکی مشابه با سیم های اتصال رسانا را برداشته و یکی را به داخل و دیگری را به خارج استوانۀ رسانا متصب می کنیم، سپس استوانه را به پک مولد واندوگراف متصل می کنیم، مشاهده می کنیم که گلوله های آونگ بیرونی همدیگر را دفع می کنند، ولی برای آونگ داخلی این اتفاق نمی افتد.

این مسئله نشان می دهد که بار خالص یک رسانای فلزی در سطح خارجی آن قرار می گیرد.

در مورد برق گیرهای ساختمان تحقیق کنید و بررسی کنید آنها چگونه ساختمان ها را از گزند آذرخش در امان نگه می دارند.

برق گیر ساختمان: سیمی بلند و نوک تیز است که یک سر آن در بالاترین نقطه ساختمان مورد حفاظت نصب می شود تا با برخورد صاعقه با این میله از برخورد مستقیم صاعقه به ساختمان جلوگیری شود. ته سیم کاملا به زمین متصل می شود تا بار الکتریکی حاصل از آذرخش توسط آن به زمین منتقل شود.برای این منظور معمولا سیم به یک صفحه فلزی لحیم شده و درون زمین تا سطح آب زیر زمینی فرو برده می شود.

در شکل زیر صفحه های باردار یک خازن تخت را که بین آنها هواست، به ولت سنج وصل می کنیم. با وارد کردن دی الکتریک در بین صفحه ها، اختلاف پتانسیل دو صفحه کاهش می یابد. علت آن را توضیح دهید (توجه کنید که این آزمایش با بیشتر ولت سنج های معمولی و رایج ممکن نیست(.

با توجه قانون پایستگی بار الکتریکی، بار خازن ثابت ولی با ورود دی الکتریک میدان الکتریکی کاهش می یابد و چون اختلاف پتانسیل با میدان الکتریکی رابطۀ مستقیم دارد در نتیجه اختلاف پتانسل بین دو صفحه نیز کاهش می یابد.

در حسگر کیسه هوای برخی از خودروها از یک خازن استفاده می شود. دربارهٔ چگونگی عملکرد این حسگرها تحقیق کنید و نتیجه آن را به کلاس گزارش دهید.

داخل کیسه های هوا، خازنی است که از دو صفحه فلزی کوچک و نزدیک به هم ساخته شده است که بار های Q+ و -Q دارند. وقتی اتومبیل ناگهان متوقف می شود، صفحۀ عقبی که سکتر است به سمت صفحه سنگین تر جلویی حرکت می کند. این حرکت موجب تغییر ظرفیت خازن(نسبت Q به اختلاف پتانسیل الکتریکی V ی بین صفحه ها) می شود و یک مدار الکتریکی این تغییر را آشکاری سازی کرده و کیسه های هوا را به کار می اندازد.

یک یاخته عصبی (نورون) را می توان با یک خازن تخت مدل سازی کرد، به طوری که غشای سلول به عنوان دی الکتریک و یون های باردار با علامت مخالف که در دو طرف غشا هستند به عنوان بارهای روی صفحه های خازن عمل کنند (شکل زیر) ظرفیت یک سلول عصبی و تعداد یون های لازم (با فرض آن که هر یون یک بار یونیده باشد)، برای آن که یک اختلاف پتانسیل 85mV ایجاد شود چقدر است؟ فرض کنید غشا دارای ثابت دی الکتریک k=3.0 ، ضخامت 10/0nmو مساحت سطح ^10-10 × 1/0 متر مربع است.

ظرفیت سلول عصبی

بار سلول عصبی

تعداد یون های سلول عصبی

خازن ها انواع متعددی دارند؛ زیرا برای کاربردهای مختلفی طراحی و ساخته می شوند. درباره خازن های مختلف مانند خازن های ورقه ای، میکا، سرامیکی، الکترولیتی، خازن های متغیر، ابرخازن ها و ظرفیت آنها تحقیق کنید. هر گروه می تواند روی یک نوع خازن تحقیق کند.

خازن های ورقه ای این خازن ها از دو ورقۀ قلع یا آلومینیوم تشکیلی شده اند که بین آنها دو ورقۀ دی الکتریک مانند کاغذ یا پلاستیک جا داده می شود، این ورقه ها را لوله می کنند و به صورت یک استوانه در می آورند و در محفظه ای پلاستیکی قرار می دهند. ظرفیت این نوع خازن ها را از 1 نانوفاراد تا 1 میکروفاراد است.

خازن های میکا بین ورقه فلزی نازک قلع، ورقه های نازک میکا قرار می دهند و ورقه های قلع را یک در میان به یکدیگر وصل می کنند. ظرفیت این خازن ها حدود 50 تا 500 پیکوفاراد است.

خازن های سرامیکی دی الکتریک این خازن ها سرامیک است که با استفاده از انواع سیلیکات ها دردمای بالا تهیه می شود. ثابت دی الکتریک این خازن ها زیاد و در حدود 1000 است. خازن های سرامیکی به شکل عدس تهیه می شوند و حجم آنها کم است. صفحه های رسانای آنها نیز ذوب نقره در دو طرف سرامیک تهیه می شود. ظرفیت این خازن ها حدود ده ها نانوفاراد است.

خازن های الکرولیتی:این خازن ها از یک صفحه فلزی اندود شده با اکسید آلمینیوم بطوریکه صفحه فلزی قطب مثبت خازن و لایه اکسید دی الکتریک ان باشد تشکیل شده است الکترولیت جامد یا مایع که غالبا کاغذی به مایع الکترولیت است(به عنوان قطب منفی خازن عمل میکند.ظرفیت این خازن ها بالاست وتا حدود 0/1F میرسد.

خازن های تغیر:دی الکتریک این خازن ها معمولا هواست.درساختمان آنها دونوع صفحه فلزی یک دست ثابت و دسته دیگر متحرک به کار رفته است که هردو دسته روی یک محور قرار گرفته اند ولی صفحه های متحرک روی این محور میچرخند صفحه ها به شکل نیم دایره اند و با چرخیدن صفحه های متحرک مساحت خازن کم و زیاد میشود.این نوع خازن ها در گیرنده های رادیویی به کار می رفته است

ابرخازن:این نوع خازن ها از موادی مانند زغال فعال پر شده اند که خود درون نوعی الکترولیت قرار گرفته اند زغال ها پس از قرار گرفتن در دو سوی خازن که توسط غشای عایق و نفوذپذیری به نام جداکننده از هم جدا شده اند بارهایی با علامت مخالف می گیرند با توجه به نفوذپذیری جداکننده یون های موجود در الکترولیت از غشای جداکننده عبور میکنند  بطوریکه یون های منفی در سمت زغال های باردار مثبت و یون های مثبت در سمت زغال های باردار منفی قرار میگیرد هریک از جفت بارهای مثبت ومنفی زغال یون به مشابه خازنی با فاصله جدایی d است که میلیون ها بار کوچک تر از فاصله جدایی صفحه های یک خازن معمولی است.ازطرفی ساختار میکروسکوپی زغال های فعال اسفنجی شکل است یه طوریکه در مقیاس نانو سطح تماس بسیار بزرگی بایون ها دارد و بدین ترتیب مساحت A صفحه های این خازن نیز به مراتب بزرگ تر از مساحت سطح یک خازن معمولی است بنابراین این خازن ها ظرفیت های بسیار بزرگی از مرتبه کیلوفاراد دارند که میلیون ها برابر خازن های معمولی هستند.یکی از ویژگی های این خازن ها آن است که خیلی سریع تر از باتری های شارژشدنی شارژ میشونذد و می توان انها را به دفعاتی تا هزاران بار بیشتر از این باتری ها شارژ کرد همین ویژگی است که باعث استفاده از این خازن ها در وسایل نقلیه الکتریکی می شود.

1) یک میله پلاستیکی را با پارچه پشمی مالش می دهیم. پس از مالش، بار الکتریکی میله پلاستیکی -12.8nC می شود.
الف) بار الکتریکی ایجاد شده در پارچه پشمی چقدر است؟
ب) تعداد الکترون های منتقل شده از پارچه پشمی به میله پلاستیکی را محاسبه کنید.

2) الف) بار الکتریکی اتم و هسته اتم کربن چند کولن است؟

ب) بار الکتریکی اتم کربن یک بار یونیده چقدر است؟

3) دو گوی رسانا، کوچک و یکسان به بارهای q₁=4.0nC و q₂=-6.0nC را با هم تماس می دهیم و سپس تا فاصله r =30cm از هم دور می کنیم. نیروی برهم کنش الکتریکی بین دو گوی را محاسبه کنید. این نیرو رانشی است یا ربایشی؟

4) سه ذره باردار q₁،q₂  و q₃ مطابق شکل در سه راس مربعی به ضلع 3m ثابت شده اند. اگر q₁=q₂=-5μC و q₂=+0.2μC باشد، نیروی خالص الکتریکی وارد بر بار q₃ را برحسب بردارهای یکه i و j تعیین کنید.

5( بارهای الکتریکی q₁=-4.0nC،q₂=+5.0nC  و q₃=-4/0nC مطابق شکل، در جای خود ثابت شده اند. نیروی خالص الکتریکی وارد بر هر یک از بارهای q₂ و  q₃را محاسبه کنید.

6) در شکل زیر، دو گوی مشابه به جرم 2/5g و بار یکسان مثبت q در فاصله 1/0cm از هم قرار دارند،
به طوری که گوی بالایی به حالت معلق مانده است.
الف) اندازه بار q را به دست آورید.
ب) تعداد الکترون های کنده شده از هر گوی چقدر است؟

7) یک ذرهٔ باردار را یک بار در نقطه  Aو بار دیگر در نقطه  Bقرار می دهیم. نیرویی که از طرف میدان الکتریکی بر این ذره باردار در این دو نقطه وارد می شود را مقایسه کنید.

8) هسته اتم آهن شعاعی در حدود ^15-10 × 4 متر و تعداد پروتون های آن 26 عدد است. الف) بزرگی نیروی دافعه بین دو پروتون این هسته که به فاصله ^15-10 × 4 متر از هم قرار دارند چقدر است؟ ب) اندازه میدان الکتریکی ناشی از هسته در فاصله ^10-10 × 1 متر از مرکز هسته چقدر است؟

9) شکل زیر، دو ذرهٔ باردار را نشان می دهد که در جای خود روی محور xثابت شده اند. بارها در فاصله یکسان a از مبدأ مختصات (نقطه O) قرار دارند.
الف) در کجای این محور (غیر از بی نهایت) نقطه ای وجود دارد که در آنجا میدان الکتریکی برایند برابر با صفر است؟ ب) بزرگی و جهت میدان الکتریکی برایند در مبدأ مختصات را بیابید.

10) در یک میدان الکتریکی یکنواخت به بزرگی ^15-10 × 4 که جهت آن قائم و رو به پایین است، ذره بارداری به جرم 2g معلّق و به حال سکون قرار دارد. اگر  g=10N/kg باشد، اندازه و نوع بار الکتریکی ذره را مشخص کنید.

11) خطوط میدان الکتریکی برای دو کره رسانای باردار کوچک در شکل زیر نشان داده شده است. نوع بار هر کره را تعیین کرده و اندازه آنها را مقایسه کنید.

12) در شکل های زیر، اندازه دو بار، یکسان ولی علامت آنها مخالف هم است. کدام آرایشهای خطوط میدان نادرست است؟ دلیل آن را توضیح دهید.

13) دو بار الکتریکی نقطهای غیرهمنام q₁=+1/0nC و q₂=-1/0nC مطابق شکل زیر به فاصله 6/0cm از یکدیگر قرار دارند.
الف) جهت و اندازهٔ میدان الکتریکی را در نقطه های O و  Aبه دست آورید.
ب) آیا بر روی محور، نقطه ای وجود دارد که میدان خالص در آن صفر شود؟

14) بادکنک باردار شکل زیر را به آب نزدیک کرده ایم. توضیح دهید چرا آب به جای اینکه به طور قائم فرو ریزد، خمیده می شود؟

15) مطابق شکل زیر، بار q=+50 nC را در میدان الکتریکی یکنواخت 10⁵ × 8 نیوتن بر کولن نخست از نقطه A تا نقطه B و سپس تا نقطه C جابه جا می کنیم. اگر AB=0/20m و  BC=0/40mباشد، مطلوب است:
الف) نیروی الکتریکی وارد بر بار q ،
ب) کاری که نیروی الکتریکی در این جابه جایی انجام می دهد،
پ) تغییر انرژی پتانسیل الکتریکی بار q در این جا به جایی

16) در شکل زیر ذرهٔ باردار مثبت و کوچکی را از نقطه A به سمت کرهٔ باردار که روی پایه عایقی قرار دارد، نزدیک می کنیم و در نقطه B قرار می دهیم. (الف) در این جابه جایی، کار نیروی الکتریکی مثبت است یا منفی؟ (ب) انرژی پتانسیل ذره باردار در این جابه جایی چگونه تغییر می کند؟ (پ) پتانسیل نقطه های  Aو B را با هم مقایسه کنید.

17) شکل زیر سه آرایش خطوط میدان الکتریکی را نشان می دهد. در هر آرایش، یک پروتون از حالت سکون در نقطه  Aرها می شود و سپس توسط میدان الکتریکی تا نقطه B شتاب می گیرد. نقطه های A و B در هر سه آرایش در فاصله های یکسانی از هم قرار دارند. در کدام شکل سرعت پروتون در نقطه B بیشتر است؟ توضیح دهید.

18) دو صفحه رسانا با فاصله 2Cm را موازی یکدیگر قرار می دهیم و آنها را به اختلاف پتانسیل 100Vوصل می کنیم. درنتیجه، یکی از صفحه ها به طور منفی و دیگری به طور مثبت باردار می شوند و میان دو صفحه میدان الکتریکی یکنواختی به وجود می آید. اندازه این میدان الکتریکی را حساب کنید و با توجه به جهت خطوط میدان الکتریکی در فضای بین دو صفحه توضیح دهید که کدام یک از دو صفحه پتانسیل الکتریکی بیشتری دارند.

19) بار الکتریکی q =-40nC از نقطه ای با پتانسیل الکتریکی V₁=-40V تا نقطه ای با پتانسیل V₂=-10V آزادانه جابه جا می شود. الف) انرژی پتانسیل الکتریکی بار q چه اندازه و چگونه تغییر می کند؟ ب) با توجه به قانون پایستگی انرژی، در مورد چگونگی تبدیل انرژی بار q در این جابه جایی توضیح دهید.

20) یک کرهٔ فلزی بدون بار الکتریکی را که روی پایه نارسانایی قرار دارد، به آونگ الکتریکی بارداری نزدیک می کنیم. با ذکر دلیل توضیح دهید که چه اتفاقی می افتد.

21) اگر ساختمان یک خازن را تغییر ندهیم، در هریک از شرایط زیر ظرفیت خازن چگونه تغییر می کند؟
الف) بار آن دو برابر شود.
ب) اختلاف پتانسیل میان صفحه های آن سه برابر شود.

22) اختلاف پتانسیل بین دو صفحه یک خازن را از 28 ولت به 40 ولت افزایش می دهیم. اگر با این کار 15میکروکولن بر بار ذخیره شده در خازن افزوده شود، ظرفیت خازن را حساب کنید.

23) ظرفیت یک خازن تخت با فاصله صفحات 1/0mm که بین صفحه های آن هوا قرار دارد، برابر 1/0F است. مساحت صفحه های این خازن چقدر است؟ از این مسئله چه نتیجه ای می گیرید؟

24) یک خازن تخت به یک باتری بسته شده است تا باردار شود. پس از مدتی، درحالی که باتری همچنان به خازن متصل است، فاصله بین صفحه های خازن را دو برابر می کنیم.
کدام یک از موارد زیر درست است؟
الف) میدان الکتریکی میان صفحه ها نصف می شود.
ب) اختلاف پتانسیل میان صفحه ها نصف می شود.
پ) ظرفیت خازن دو برابر می شود.
ت) بار روی صفحه ها تغییر نمی کند.

25) مساحت هریک از صفحه های خازن تختی، ²1/00m و فاصله دو صفحه از هم، 0/500mm است. عایقی با ثابت دی الکتریک 4/9 بین دو صفحه قرار داده شده است. ظرفیت خازن را تعیین کنید.

26) دو صفحه خازن تخت بارداری را به هم وصل می کنیم. در نتیجه جرقه ای زده می شود. حال اگر دوباره صفحات را به همان اندازه باردار کنیم ولی فاصله آنها را دو برابر کنیم و سپس دو صفحه را به هم وصل کنیم، آیا جرقه حاصل بزرگتر از قبل می شود، یا کوچکتر و یا تغییری نمی کند؟ توضیح دهید.

27) ظرفیت خازن تختى 20nF و بار الکتریکى آن 180nC است.

الف) انرژی ذخیره شده در این خازن چقدر است؟
ب) بین صفحات خازن هواست. خازن را از باتری جدا و فاصله بین صفحه های آن را دو برابر می کنیم. انرژی ذخیره شده در خازن چقدر افزایش می یابد؟

1) الف) بارالکتریکی پارچه پشمی +12/8nC خواهد بود.

ب)

2) الف) هسته اتم کربن 6 پروتون دارد.بارالکتریکی هسته برابر است با :

q₁ = +ne = +6 × 10^-19 = 9/6 × 10^-19 C

اتم کربن درحالت عادی 6 الکتروننیز دارد. بار الکتریکی منفی اش برابر است با :

q₂ = -ne = -6 × 10^-19 = -9/6 × 10^-19 C

اتم کربن درحالت عادی خنثی است

q _اتم = q₁ + q₂ = 0

ب) اتم کربن دارای 5 الکترون ولی داخل هسته آن 6پروتون وجود دارد.

q_{(یونیده اتم)} = -5c + 6c = +1c = +1/6 × 10^-19 C

3)

بعد از اتصال دو کره رسانا:

رانشی است.

4)

5)

نیروی الکتریکی خالص وارد بر بار q2

نیروی الکتریکی خالص وارد بر بار q3

6)

الف)

ب)

7) چون میدان الکتریکی یکنواخت و ثابت است.بنابراین نیروی وارد بر ذره باردار درتمام نقاط واقع دراین میدان یکسان می باشد.

F = Eq₀

q₀  یک ذره باردار در دو نقطه قرار گرفته

E_A = E_B = ثابت

در نتیجه داریم :

F_A = F_B

8) الف)

ب)

9)الف)

ب)

10) نیروی وزن و نیرویی که از طرف میدان الکتریکی بر ذره وارد میشود باید باهم مساوی و در خلاف جهت یکدیگر باشند.

پس داریم :

چون نیرو و میدان الکتریکی خلاف جهت هم هستند پس بار الکتریکی ذره منفی است.

11) چون تراکم میدان الکتریکی اطراف بار q1 بیشتر از بار q2  است پس اندازه بار الکتریکی |q1|>|q2| است.

12) الف) نادرست - زیرا خطوط میدان الکتریکی دوبار ناهمنام ربایشی است نه رانشی

ب) نادرست - خطوط میدان اطراف دوقطبی الکتریکی باید انحنای معین داشته باشند

پ) نادرست - جهت خطوط میدان برای بارها مثبت و منفی برعکس رسم شده است

ت) درست - جهت و انحنای خطوط میدان.صحیح رسم شده است.

13) الف)

میدان الکتریکی در نقطه O

میدان الکتریکی در نقطه A

ب)

خطوط میدان الکتریکی مربوط به دو قطب طوری است که در هیچ مکانی میدان برایند صفر نمی شود (به غیر از بینهایت) .

14) وقتی بادکنک باردار منفی را به باریکه آب نزدیک کنیم چون مولکولهای آب قطبی هستند.اتمها و مولکولهای آن در میدان الکتریکی بادکنک آرایش جدید میگیرند به طوریکه بخش مثبت مولکول های آب به طرف بادکنک کشیده و بخش منفی مولکول های آب دور میشوند و چون نیروی جاذبه کولنی به علت فاصله کمتربیشتر از نیروی دافعه است.درنتیجه مسیر باریکه آب منحرف می شود.

15) الف)

ب)

مسیر A تا B

مسیر B تا C

پ)

16) الف) منفی

ب) مثبت

پ) انرژی پتانسیل زیاد می شود

ت) پتانسیل B  از A بیشتر است

نکته:

اگر ذره باردار را از نقطه A در مسیر های متفاوتی به نقطه B  نزدیک کنیم کار ماو کار میدان الکتریک در تمام مسیرها یکسان خواهد بود.

17) درشکل الف. درکل مسیر میدان یکنواخت بوده و تعداد خطوط میدان بیشتر و به یکدیگر نزدیکترند پس همواره بزرگی نیرو ثابت بیشتری به ذره باردار وارد می شود.

در شکل ب میدان غیر یکنواخت بوده و درابتدای مسیر نیروی بزرگی ولی در طی مسیر نیروی کوچکی به ذره باردار وارد می شود.

درشکل پ. درکل مسیر میدان یکنواخت و تعداد خطوط میدان کمتر از از بقیه است بنابراین یک نیروی ثابت و کوچکی به ذره باردار وارد می شود.

تندی نهایی پروتون در شکل الف بیشتر از شکل های دیگر است.

18)

صفحه متصل به پایانه مثبت پتانسیل بیشتری نسبت به صفحه متصل به پایانه منفی دارد

19) الف)

انرژی پتانسیل الکتریکی بار کاهش می یابد

ب) کاهش انرژی پتانسیل الکتریکی ذره در این جابجایی باعث افزایش انرژی آن خواهد شد

20) اونگ باردار در کره رسانا بار القاء ایجاد می کند با توجه به این که بارهای ناهمنام نزدیک تر قرار دارند نیروی جاذبه از دافعه قویتر است و سبب جذب آونگ می شوند و آونگ به طرف کره رسانا منحرف می شود. درصورت تماس با کره قسمتی از بارهای آونگ به کره منتقل شده و به علت همنام شدن بار آونگ و کره آونگ از کره دور می شود.

21) الف) ظرفیت خازن به ساختمان خازن بستگی دارد، با دو برابر کردن بار الکتریکی خازن، ولتاژ دو سر خازن نیز دو برابر شده و چون ظرفیت خازن برابر تقسیم مقدار بار به اختلاق پتانسیل است و این نسبت ثابت است، در نتیجه ظرفیت خازن ثابت می ماند.

ب) مانند قسمت قبل با سه برابر کردن اختلاف پتانسیل میان صفحه ها، بار الکتریکی خازن نیز سه برابر شده و چون ظرفیت خازن برابر تقسیم مقدار بار به اختلاف پتانسیل است و این نسبت ثابت است، در نتیجه ظرفیت خازن ثابت می ماند

22)

23)

نتیجه میگیریم ظرفیت 1 فاراد برای خازن بسیار زیاد است و ساخت چنین خازنی نیاز به مساحت بسیار بزرگی داریم که عملا امکان پذیر نمی باشد.

24) الف) درست : طبق رابطه E=V/d با توجه به ثابت بودن V و دو برابر شدن d میدان الکتریکی نصف می شود.

ب) نادرست : چون ولتاژ مولد تغییر نکرده لذا اختلاف پتانسیل دو سر خازن ثابت می ماند.

پ) نادرست : طبق رابطه C=Kε0A/d با دو برابر شدن فاصله خازن، ظرفیت خازن نصف می شود.

ت) نادرست : طبق رابطه C=Q/V با توجه به ثابت بودن V و نصف شدن ظرفیت، بار روی صفحات نیز نصف می شود.

25) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

26) جرقه با انرژی خازن متناسب است، در اینجا مقدار بار الکتریکی ذخیره شده روی صفحات خازن ثابت است، با دو برابر شدن فاصله صفحات، ظرفیت خازن نصف و طبق رابطه (!) انرژی ذخیره شده در خازن، دو برابر شده و جرقه شدیدتر می شود.

27) الف)

ب)

سرعت سوق الکترون های آزاد در یک رسانا می ِ تواند به کندی سرعت حرکت یک حلزون باشد. اگر سرعت سوق الکترون ها اینقدر کم است، پس چرا وقتی کلید برق را می زنیم چراغ های خانه به سرعت روشن می شوند؟ (راهنمایی:  شیلنگ شفافی را در نظر بگیرید. وقتی شیر را باز می کنید، هنگامی که شیلنگ پر از آب است، آب بلافاصله از سر دیگر شیلنگ جاری می شود؛ ولی اگر لکه ای رنگی را درون آب چکانده باشیم، می بینیم این لکه رنگی به آهستگی در آب حرکت می کند.)

با توجه به این که سیم رسانا مجموعه ای از اتم های دارای الکترون های آزاد است (مشابه شیلنگ پر از آب) به محض برقراری اختلاف پتانسیل در دو سر سیم میدان الکتریکی در کل طول سیم ایجاد شده و الکترون های آزاد از جمله نزدیکترین الکترون ها به چراغ شروع به حرکت می کنند و جریان در لامپ  وهمجنین در کل سیم برقرار شده و لامپ روشن می شود.

در رابطه (t∆)q = I∆ اگر I برحسب آمپر و t∆ برحسب ساعت باشد، یکای q∆ آمپرـ ساعت می شود. باتری خودروها با آمپر ـ ساعت  (Ah)و باتری گوشی های همراه بامیلی آمپر ـ ساعت (mAh) مشخص می شود. ِ هر چه آمپر ـ ساعت یک باتری بیشتر باشد حداکثر باری که باتری می تواند از مدار عبور دهد تا به طور ایمن تخلیه شود، بیشتر است.
الف) باتری استاندارد خودرویی، 50Ah است. اگر این باتری جریان متوسط 5/0A را فراهم سازد، چقدر طول می کشد تا خالی شود؟
ب) روی یک باتری قلمی مقدار 100mAh نوشته شده است. اگر این باتری جریان متوسط 100µA را فراهم سازد، چه مدت طول می کشد تا خالی شود؟

الف)

ب)

سیم کشی خانه ها معمولاً با سیم های مسی ای صورت می گیرد که قطری برابر با 2/032mm دارد. مقاومت 100m از این سیم ها در دمای اتاق چقدر است؟

پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

به کمک یک باتری، سیم های رابط، لامپ کوچک، ولت سنج و کلید، مداری همانند شکل زیر درست کنید. قبل از بستن کلید عددی را که ولت سنج نشان می دهد بخوانید.
سپس کلید را ببندید و دوباره عددی را که ولت سنج نشان می دهد بخوانید. در کدام حالت ولت سنج عدد بزرگ تری را نشان می دهد؟ چرا؟
در ادامه با علت تفاوت این دو عدد آشنا خواهید شد.

قبل از بستن کلید ولت سنج نیروی محرکه مولد را نشان می دهد بعد از بستن ولت سنج عددی کمتر از حالت قبل نشان می دهد.

زیرا درحالتی که کلید باز است جریان در مدار وجود ندارد وافت پتانسیل صفر خواهد شد.

V = ε - rI        v = ε

اگر کلید را ببندیم لامپ روشن می شود جریان صفر نیست

V = ε - rI

تفاوت یک باتری نو و فرسوده عمدتا در مقدار مقاومت داخلی آن است که می تواند کمتر از یک اهم برای باتری نو تا چند هزار اهم برای باتری فرسوده باشد. برای اندازه گیری مقاومت داخلی یک باتری مدار ساده ای متشکل از یک باتری، یک کلید قطع و وصل و یک مقاومت یا لامپ کوچک را سوار کنید. نخست درحالی که کلید قطع است، ولتاژ دو سر باتری را با یک ولت سنج اندازه بگیرید و آنگاه پس از بستن کلید، دوباره ولتاژ دو سر باتری را اندازه بگیرید. همچنین در این حالت، جریان عبوری از مدار را نیز باید به کمک یک آمپرسنج اندازه بگیرید. اکنون با استفاده از رابطه 2ـ6 مقاومت داخلی باتری را محاسبه کنید (البته در یک اندازه گیری دقیق تر معمولا از یک مقاومت متغیر استفاده می شود و مقاومت داخلی پس از چندین اندازه گیری محاسبه می شود.) آزمایش را یک بار برای باتری نو و یک بار برای باتری فرسوده انجام دهید.

مداری مانند شکل بالا می بندیم هنگامی که کلید قطع است ولتاژ دوسر باتری را اندازه می گیریم چون مقاومت درونی ولت سنج ایده ال بینهایت است وجریان صفر است ولتاژ اندازه گیری شده برابر(ε)حال کلید را بسته ومجددا مقدار ولتاژ وهمچنین جریان را از روی ولت سنج وآمپرسنج می خوانیم با توجه به رابطه که درآن 7 ولتاژ اندازه گرفته توسط ولت سنج است مقاوت درونی باتری را محاسبه کنیم می توانیم با مقاومت های مختلف این آزمایش را تکرار کنیم وبرای به دست آوردن مقدار دقیق تر از نتایج حاصل میانگین بگیریم.

قانون ژول بیان می دارد گرمای تولید شده توسط جریان Iی عبوری از یک مقاومت  R در مدت زمان t برابر با RI²t است. این قانون را می توان به روش گرماسنجی با یک گرماسنج که در فیزیک دهم با آن آشنا شدید تحقیق کرد. اسباب این آزمایش در شکل نشان داده شده است. درباره چگونگی این آزمایش تحقیق کنید

مقاومت رسانارا با اهم سنج اندازه گرفته وآن را در ظرفی محتوی آب قرار می دهیم شدت جریان را توسط آمپرسنج اندازه گرفته وانرژی مصرفی را برای مدت زمان معین از U= RI²t می یاییم درهمین زمان بااندازه گیری دمای آب وبا استفاده از Q=mc∆θ گرما را به دست می آوریم مشاهده می شود که تقریبا U با Q برابر است

همانند شکل با یک اهم متر، مقاومت رشته سیم داخل لامپ 100 واتی را اندازه گیری کنید. سپس با استفاده از رابطه P=V²/R ، و با داشتن مشخصات روی لامپ، مقاومت آن را در حالت روشن محاسبه کنید. چرا مقدار اندازه گیری شده با مقدار محاسبه شده متفاوت است؟ نتیجه را پس از گفت و گوی گروهی، گزارش دهید.

مقاومت رشته ی سیم داخل یک لامپ 100 واتی را با اهم سنج اندازه می گیریم سپس با استفاده از رابطه R=V²/P مقاومت لامپ را بدست می آوریم این عدد بیشتر از مقاومت لامپ در حالت خاموش است

زیرا با اتصال لامپ به ولتاژی باعث افزایش دما در لامپ شده با افزایش دما از تعاشات اتمها نیز افزایش یافته در نتیجه برخورد الکترون ها با شبکه اتمی رسانای فلزی زیادتر شده ومقاومت رسانا نیز در برابر عبور جریان زیاد می شود

در شکل زیر، سه مقاومت به همراه یک آمپرسنج به صورت متوالی به یک باتری وصل شده اند و مقاومت آمپرسنج صفر است (آمپرسنج آرمانی). اگر مقاومت معادل مقاومت های R₁ ، R₂ و R₃ برابر با 13/0Ωباشد: الف) مقاومت R₃ چقدر است؟
ب) جریانی را که آمپرسنج نشان می دهد به دست آورید. پ) توان خروجی باتری چقدر است؟

الف)

ب)

پ)

در نتیجه داریم :

مداری مانند مدار مثال 2ـ8 ببندید و در هر شاخه آن، یک آمپرسنج قرار دهید. با خواندن آمپرسنج ها، رابطه بین جریان ها را بررسی کنید.

پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

در شکل زیر سه مقاومت موازی به همراه یک آمپرسنج آرمانی به دو سر یک باتری وصل شده اند. اگر مقاومت معادل این ترکیب 1/6Ωباشد،
الف) مقاومت R₃ چقدر است؟ ب) جریانی که آمپرسنج نشان می دهد را به دست آورید. پ) توان خروجی باتری چقدر است؟

الف)

ب)

پ)

1) در کدام یک از شکل های زیر، لامپ روشن می شود؟

2) در مدار شکل زیر اختلاف پتانسیل دو سر لامپ 4/0V و مقاومت آن 5/0Ω است. در مدت 5 دقیقه چه تعداد الکترون از لامپ می گذرد؟

3) بررسی کنید اگر مته برقی (دریل) معیوب شکل های زیر را با دوشاخه (شکل الف) یا سه شاخه (شکل ب) به پریز وصل کنیم، چه رخ می دهد؟

4) آذرخش مثالی جالب از جریان الکتریکی در پدیده های طبیعی است. در یک آذرخش نوعی 10⁹ × 1 ژول انرژی تحت اختلاف پتانسیل ⁷10 × 5 ولت در بازه زمانی 0/20s آزاد می شود. با استفاده از این اطلاعات الف) مقدار بار کل منتقل شده بین ابر و زمین، ب) جریان متوسط در یک یورش آذرخش و پ) توان الکتریکی آزاد شده در 0/20s را به دست آورید.

5) در آزمایش تحقیق قانون اهم، نتایج جدول زیر به دست آمده است.

نمودار ولتاژ بر حسب جریان را رسم کنید و با فرض ثابت ماندن دما تعیین کنید در چه محدودهای رفتار این مقاومت از قانون اهم پیروی می کند.

6) شکل زیر نمودار I-V را براى دو رسانای A و B نشان مى دهد. مقاومت کدام یک بیشتر است؟ چرا؟

7) دو رسانای فلزی از یک ماده ساخته شده اند و طول یکسانی دارند. رسانای A سیم توپری به قطر 1/0mm است. رسانای  Bلوله ای توخالی به شعاع خارجی 2/0mm و شعاع داخلی 1/0mm است. مقاومت رسانای A چند برابر مقاومت رسانای  Bاست؟

8) در ماشین های چمن زنی برقی برای مسافت های حداکثر تا 35m از سیم های مسی نمره 20 (قطر 0.08 سانتی متر) و برای مسافت های طولانی تر از سیم های ضخیم تر نمره 16 (قطر 0.13 سانتی متر) استفاده می کنند تا بدین ترتیب مقاومت سیم را تا آنجا که ممکن است کوچک نگه دارند.

الف) مقاومت یک سیم 30 متری ماشین چمن زنی چقدر است؟

ب) مقاومت یک سیم 70 متری ماشین چمن زنی چقدر است؟ (دمای سیم ها را 20 درجه سانتی گراد در نظر بگیرید.)

9) شکل زیر یک مشابهت سازی مکانیکی برای درک مقاومت و نیروی محرکه الکتریکی را نشان می دهد که در آن بر سطح شیبداری میخ هایی تعبیه شده و تیله ها از ارتفاع بالای سطح شیبدار رها می شوند و سپس دوباره به بالای سطح شیبدار بازگردانده می شوند. این مشابهت سازی مکانیکی را توجیه کنید.

10) یک باتری را در نظر بگیرید که وقتی به مدار بسته نیست پتانسیل دو سرش برابر 12/0V است. وقتی یک مقاومت  10/0Ωبه این باتری بسته شود، اختلاف پتانسیل دو سر باتری به 10/9V کاهش می یابد. مقاومت داخلی باتری چقدر است؟

11) در شکل زیر آمپرسنج و ولت سنج چه عددهایی را نشان می دهند؟

12) دو لامپ رشته ای در اختیار داریم که جنس و طول رشته آنها یکسان است، ولی رشته لامپ B ضخیم تر از رشته لامپ  Aاست. وقتی لامپ ها به ولتاژ یکسانی وصل شوند، کدام لامپ پر نورتر خواهد بود و چرا؟

13) بر روی وسیله های الکتریکی، اعداد مربوط به ولتاژ و توان نوشته می شود. برای دو وسیله زیر،

الف) سیم های اتصال به برق آنها باید بتواند حداقل چه جریانی را از خود عبور دهد؟

ب) مقاومت الکتریکی هر وسیله در حالت روشن چقدر است؟

14) تلویزیون و یکی از لامپ های خانه خود را در نظر بگیرید و فرض کنید که هر کدام روزی ٨ ساعت با اختلاف پتانسیل  220ولت روشن باشد.

الف) انرژی الکتریکی مصرفی هر کدام در یک دوره یک ماهه (30 روز) چند kWh است؟ (توان مصرفی هر وسیله را از روی آن بخوانید(.

ب) بهای برق مصرفی هر کدام از قرار هر کیلووات ساعت 50 تومان در یک دوره یک ماهه چقدر می شود؟

پ) اگر در شهر شما هر خانه یک لامپ 100وات اضافی را به مدت 3 ساعت در شب روشن کند، در طول یک ماه تقریباً چند کیلووات ساعت انرژی الکتریکی اضافی مصرف می شود؟

15) در شکل زیر، الف) نیروی محرکه الکتریکی و مقاومت داخلی منبع را که توان خروجی آن به ازای I₁=5/00A برابر 9/50W و به ازای I₂=7/00A  برابر 12/6W است، محاسبه کنید.

ب) نمودار اختلاف پتانسیل دو سر باتری برحسب جریان گذرنده از آن را رسم کنید.

16) لامپ هاى یک درخت زینتى، به طور متوالى متصل شده اند. اگر یکى از لامپ ها بسوزد، چه اتّفاقى می افتد؟ به نظر شما چرا همه چراغ های خودرو (چراغ های جلو، عقب و ... ) به طور موازی بسته می شوند؟

17) مقاومت یک آمپرسنج براى اندازه گیرى جریان در یک مدار باید چگونه باشد تا جریان اندازه گیری شده توسط آمپرسنج با جریان قبل از قرار دادن آمپرسنج، نزدیک به هم باشد؟

18) در شکل مقابل، تعدادى لامپ مشابه به طور موازى به هم متصل شده اند و هر لامپ با کلیدى همراه است. بررسى کنید که با بستن کلیدها یکى پس از دیگرى، عددهایی که آمپرسنج و ولت سنج نشان مى دهند، چه تغییرى مى کند؟

19) دو لامپ با مقاومت مساوى R را یک بار به طور متوالى و بار دیگر به طور موازى به یکدیگر مى بندیم و آنها را هر بار به ولتاژ V وصل مى کنیم. نسبت توان مصرف شده در حالت موازى به توان مصرف شده در حالت متوالى چقدر است؟

20) در شکل های زیر، آیا مقاومت ها به طور متوالی بسته شده اند یا موازی و یا هیچ کدام؟

21) سه مقاومت مشابه 12 اهمى را یک بار به طور متوالى و بار دیگر به طور موازى به یکدیگر مى بندیم و به اختلاف پتانسیل 12 ولت وصل مى کنیم. در هر بار، چه جریانى از هر مقاومت مى گذرد؟

22) دو مقاومت موازى 16 اهمى و 12 اهمى به طور متوالى به یک مقاومت 2 اهمى وصل شده است. اکنون، مجموعه مقاومت ها را به دو سر یک باترى آرمانی 36 ولتى مى بندیم. توان مصرفى در مقاومت 6 اهمى را محاسبه کنید.

23) در شکل زیر، وقتی کلید بسته شود چه جریانی از هر لامپ رشته ای می گذرد؟

24) لامپ های  A، B و C در شکل زیر همگی یکسان اند. با بستن کلید، کدام یک از تغییرات زیر در اختلاف پتانسیل رخ می دهد؟ (ممکن است بیش از یک پاسخ درست باشد.)

الف) اختلاف پتانسیل دو سر A و B تغییر نمی کند.
ب) اختلاف پتانسیل دو سر C به اندازه 50 درصد کاهش می یابد.
پ) هر یک از اختلاف پتانسیل های دو سر A و B به اندازه 50 درصد افزایش می یابد.
ت) اختلاف پتانسیل دو سر C به صفر کاهش می یابد.

25) درسیم کشی منازل، همه مصرف کننده ها به طور موازی متصل می شوند. یک اتوی 1100W، یک نان برشته کن (توستر)، 1800W، پنج لامپ رشته ای 100Wو یک بخاری 1100W به پریزهای یک مدار سیم کشی خانگی 220V که حداکثر می تواند جریان 15A را تحمل کند وصل شده اند. آیا این ترکیب مصرف کننده ها باعث پریدن فیوز می شود یا خیر؟

1) لامپ مدار الف درمسیر عبور جریان مدار قرار ندارد پس خاموش می ماند

لامپ مدار ب جریانی درمدار ایجاد نمی شود چون مسیر بسته ای برای عبور جریان نداریم پس خاموش می ماند

لامپ مدار ب روشن می شود زیرا به دوسر لامپ اختلاف پتانسیل متصل است وجریان الکتریکی نیز از فیلا مان لامپ می گذرد

2) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

3) درمته معیوب اگر روکش عایق یکی از سیم ها از بین رفته باشد وبا بدنه اتصال داشته باشد کسی که به آن دست می زند دچار برق گرفتگی می شود اما اگر مته سیم اتصال به زمین داشته باشد جریان الکتریکی به جای عبور از بدن شخص از اتصال به زمین(سیم ارت) عبور می کند ودیگر شخص دچار برق گرفتگی نمی شود(چون مقاومت این سیم درمقایسه با مقاومت بدن شخص خیلی کمتر است)

4) الف)

ب)

پ)

5) در محدوده ولتاژ 0 تا 7 ولت

6)

در نتیجه داریم :

به ازای ولتاژ ثابت جریان عبوری از رسانای الف  کمتر از رسانای ب می باشد.و چون مقاومت با جریان رابطه عکس دارد پس مقاومت الف بیشتر از مقاومت ب است.

درنمودار I-V هرچه شیب نمودار کمتر باشد مقاومت رسانا بیشتر خواهد بود.

7) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

8) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

9) کاری که ما برای بالا بردن گلوله ها انجام میدهیم ، همانند کار نیروی محرکه مولد برای انتقال بار الکتریکی از یک پایانه مولد برای انتقال بار الکتریکی از یک پایانه مولد به یک پایانه دیگر و سطح شیبدار هم همانند؛ مدار الکتریکی است. در یک مسیر رفت تمام انرزی که ما به گلوله دادیم یا مولد به الکترونها داده است، به علت مقاومت میخ یا مقاومت اتم ها در برابر الکترونها از بین رفته و به پایین سطح شیبدار می رسد، در مرحله بعد بازهم ای عمل تکرار می شود.

10) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

11)

12)

چون مقطع رشته لامپ B ضخیم تر است، پس مقاومتش کمتر بوده و با وصل کردن این دو لامپ، به ولتاز یکسان و با توجه به اینکه توان با مقاومت رابطه عکس دارد، در نتیجه توان لامپ B بیشتر بوده و نور بیشتری خواهد داشت.

13) الف)

ب)

14) الف)

ب)

پ)

15)

در نتیجه داریم :

حال با جایگذاری r :

16) در اتصال متوالی فقط وقتی یک لامپ می سوزد، مسیر عبور جریان از آن جز مدار قطع می شود. و این باعث، قطع جریان در کل مدار و خاموش شدن همه لامپ ها می شود.

چراغ های خودرو به طور موازی بسته می شود تا با سوختن یک لامپ همه لامپ ها خاموش نشوند؛همچنین در اتصال موازی نور لامپ ها بیشترین روشنایی دارند؛زیرا پتانسیل دوسر همه لامپ ها یکی است، در حالی که در اتصال متوالی ،این پتانسیل به نسبت مقاومت هر لامپ تقسیم می شود.

در مدار موازی نور لامپی بیشتر است که توان مصرفی بیشتری دارد. P=V²/R

17) مقاومت آمپرسنج باید بسیار ناچیز باشد. اگر آمپرسنج مقامت داشته در اثر افت پتانسیل در آمپرسنج مقداری از

جریان طبقه رابطه I=Ɛ/(R+R_A+r) تلف شده و دیگر مقدار جریان با حالتی که آمپرسنج در مدار نباشد برابر نیست

18) با بستن هر کلید تعداد مقاومت های موازی بیشتر شده مقاومت معادل کمتر می شود.  R_T=R/n

موقعی که مقاومت معادل کاهش می یابد، طبق رابطهI=Ɛ/(R_T+r) عدد بیشتری را نشان می دهد.

با افزایش جریان، عددی که ولت سنج نشان می دهد مطابق رابطه V= Ɛ-eI کاهش می یابد

19) با توجه به رابطه توان P=V²/R ابتدا مقاومت معادل هر مدار را محاسبه کرده، سپس بر هم تقسیم می کنیم

20) در شکل الف مقاومت ها به طور متوالی بسته شده اند.(مقاومت ها در یک نقطه یکسان متصل شده اند)

در شکل های ب و پ مقاومت ها به طور موازی بسته شده اند.(دو سر تمام مقاومت های در دو نقطه a و b متصل شده اند)

21)

22)

23) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

24) الف) با بستن کلید و اتصال کوتاه لامپ C از مدار حذف می شود و چون جریان الکتریکی از مقدارƐ/3R به Ɛ/2R افزایش می یابد اختلاف پتانسیل هر کدام از مقاومت های مشابه A و B از Ɛ/3 به Ɛ/2 افزایش می یابد.

نادرست

ب) قبل ا بستن کلید V_1C=Ɛ/3 و بعد از بستن V_2C=0 می شود یعنی 100 درصد اختلاف پتانسیل C کاهش می یابد.

نادرست

پ) اختلاف پتانسیل دو سر مقاومت ها از V_1A=V_1B=Ɛ/3 به V_2A=V_2B=Ɛ/2 می رسد (50 درصد افزایش) می یابد.

25)

این جریان بزرگتر از بیشینه جریانی است که مدار قادر به تحمل آن است. بنابراین فیوز خواهد پرید.

پاسخ راه دوم:

این جریان بیشتر از بیشینه جریانی است که مدار قادر به تحمل آن است. بنابراین فیوز خواهد پرید.

فرض کنید دو میله کاملاً مشابه، یکی از جنس آهن و دیگری آهنربا در اختیار دارید.با گفت و گو در گروه خود، روشی را پیشنهاد کنید که با استفاده از آن و بدون استفاده از هیچ وسیله دیگر، بتوان میله ای را که از جنس آهنرباست مشخص کرد.

یکی از میله ها را در دست می گیریم و در سه وضعیت بر ابتدای میله، وسط میله و انتهای میله می گذاریم اگر ربایش در سه وضعیت یکسان باشد آن میله ای که در دست ماست آهن رباست. اگر ربایش یکسان نباشد یعنی در دو سر میله خاصیت مغناطیسی زیاد و در وسط خاصیت مغناطیسی بسیار کم باشد آن میله که در دست ماست آهن است.

1) دریافت خود را از شکل الف بیان کنید.
2) در علوم هشتم با پدیدهٔ القای مغناطیسی آشنا شدید. با توجه به شکل ب این پدیده را توضیح دهید و بیان کنید چرا در پدیدهٔ القای مغناطیسی همواره جذب وجود دارد؟

1) اگر آهنربایی را از وسط نصف کنیم ،هر قسمت دارای دو قطب N و S است و اگر این تقسیم بندی ادامه یابد،به مولکولهایی از آهنربا می رسیم که خاصیت مغناطیسی دارند آنها را دو قطبی مغناطیسی می نامند، این دو قطبی های مغناطسیس منشاء مغناطیسی مواد می باشند.

2) با نزدیک کردن آهنربا یه یک قطعه آهنی (فرو مغناطیس) بر اثر پدیده القای مغناطیسی در قطعه، قطب های نا همنام ایجاد می شود، در نتیجه در القای مغناطیسی همواره قطعه جذب آهن ربا می شود.

یکی از قطب های یک آهنربای میله ای را به یک عقربه مغناطیسی نزدیک کنید (شکل زیر). آنچه را می بینید توضیح دهید. با دور کردن آهنربا از قطب نما چه اتفاقی می افتد؟ دلیل آن را شرح دهید. در صورتی که قطب نما در اختیار ندارید، یک سوزن ته گرد مغناطیسی شده را روی سطح آب، درون ظرفی شناور سازید. به این ترتیب، سوزن ته گرد مانند عقربه مغناطیسی یک قطب نما رفتار می کند.

در این آزمایش با نزدیک کردن آهن ربا به عقربه مغناطیسی میچرخد و پس از دور کردن در جهت شمال مغناطیسی زمین قرار می گیرد. آهن ربا و قطب نما با قطب های مشخص شده با نزدیک شدن به یکدیگر قطب های ناهمنام یکدیگر را می ربایند پس با نزدیک کردن قطب N آهن ربا قطب S قطب نما به سمت آن میچرخد و با دور کردن آهن ربا عقربه قطب نما تحت تاثیر میدان مغناطیسی زمین در راستای تقریبی شمال-جنوب قرار می گیرد.

1) شکل زیر، یک آهنربای میله ای و تعدادی عقربه مغناطیسی را نشان می دهد.

الف) کدام سر آهنربا قطب N و کدام سر قطب S است؟

ب) جهت گیری عقربه های مغناطیسی را در دیگر مکان های روی شکل تعیین کنید.

2) شکل زیر، خط های میدان مغناطیسی در ناحیه ای از فضا را نشان می دهد. بردار میدان مغناطیسی را در هر یک از نقطه های روی شکل رسم کنید. به اندازه و جهت بردار میدان در هر نقطه توجه کنید.

1) الف) سمت راست میله قطب N و سمت چپ میله قطب S است.

ب) عقربه مغناطیسی همواره مماس بر خطوط میدان مغناطیسی اطراف آهن ربا قرار می گیردبا داشتن قطب ها و رسم خطوط میدان در خارج آهن ربا (N به S) جهت گیری عقربه را تعیین می کنیم.

2) چون تراکم خطوط میدان مغناطیسی در نقطه a بیشتر از نقطه b است پس:

B_a > B_b > B_c

یک آهنربای میله ای را روی سطح افقی میزی قرار دهید. یک قطب نما یا عقربه مغناطیسی را مقابل یکی از قطب های آهنربا قرار دهید. روی مسیری دایره ای شکل دور آهنربا، عقربه را به آرامی حرکت دهید (شکل زیر). بررسی کنید پس از یک دور حرکت، عقربه چند درجه می چرخد.

در هر ربع دایره عقربه 180 درجه می چرخد برای یک حرکت کامل دور دایره، عقربه 720 درجه می چرخد.

4 × 180 = 720

وقتی یک سوزن مغناطیسی شده یا یک عقربه مغناطیسی را از وسط آن آویزان می کنیم در بیشتر نقاط زمین، به طور افقی قرار نمی گیرد و امتداد آن با سطح افقی زمین زاویه می سازد. به این زاویه، شیب مغناطیسی گفته می شود.
برای یافتن شیب مغناطیسی محلی که در آن زندگی می کنید درست به وسط یک سوزن مغناطیسی شده یا عقربه مغناطیسی بزرگ، نخی را ببندید و آن را آویزان کنید. پس از تعادل، به کمک نقاله، زاویه ای را اندازه بگیرید که امتداد سوزن یا عقربه مغناطیسی با راستای افق می سازد. عدد به دست آمده، شیب مغناطیسی محل زندگی شماست. چنان چه در آزمایشگاه مدرسه شیب سنج مغناطیسی موجود باشد می توانید از آن نیز استفاده کنید.

پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

1) الکترونی عمود بر میدان مغناطیسی یکنواختی در حرکت است. با توجه به شکل، جهت میدان B کدام است؟

بالا                  راست               درون سو                  برون سو

2) نیروی مغناطیسی F وارد بر الکترونی که در میدان مغناطیسی B در حرکت است، در شکل زیر، نشان داده شده است. فرض کنید راستای حرکت الکترون بر میدان مغناطیسی عمود است؛ در هریک از حالت های نشان داده شده جهت سرعت الکترون را تعیین کنید.

1) میدان مغناطیسی درون سو

برای بار منفی از قاعده دست چپ می توان استفده کرد. اگر چهار انگشت دست چپ را طوری در جهت حرکت ذره قرار دهیم که شست دست در جهت نیرو باشد، میدان مغناطیسی از کف دست خارج می شود. بنابرایت میدان مغناطیسی درون سو است.

2)

1) بر پروتونی که با زاویهθ=30°  نسبت به میدان مغناطیسی یکنواختی به اندازهٔ B =320G  در حرکت است نیرویی به اندازه ^14-10 × 5/12 نیوتن وارد می شود. تندی پروتون چند کیلومتر بر ثانیه است؟

2) سه ذره، هر کدام با بار  q = 6/15µC و تندی v = 46m/sدر میدان مغناطیسی یکنواختی به اندازه B=0/165T در حرکت اند (شکل زیر). اندازه نیروی وارد بر هر ذره را حساب کنید.

3) الکترونی با تندی 10⁵ × 2/4 متر بر ثانیه درون میدان مغناطیسی یکنواختی در حرکت است. اندازه نیرویی که از طرف میدان مغناطیسی بر این الکترون وارد می شود، هنگامی بیشینه است که الکترون به سمت جنوب حرکت کند.

الف) اگر جهت این نیروی بیشینه، رو به بالا و اندازه آن برابر ^14-10 × 6/8 نیوتن باشد، اندازه و جهت میدان مغناطیسی را تعیین کنید.

ب) اندازهٔ میدان الکتریکی چقدر باشد تا همین نیرو را ایجاد کند؟

1) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

2)

3) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

هدف: بررسی نیروی وارد بر سیم حامل جریان
وسیله های مورد نیاز: آهنرباى نعلى شکل، سیم مسى ضخیم، سیم رابط، پایه، نخ و باتری
شرح آزمایش:

* مدارى مطابق شکل الف ببندید تا جریان از سیم مسى بگذرد. آنچه را که مشاهده مى کنید، در گروه خود به بحث بگذارید.
در صورتی که وسیله ای مشابه شکل ب را در آزمایشگاه مدرسه در اختیار دارید می توانید از آن استفاده کنید.
** مدار را قطع کنید و جهت جریان را تغییر داده و مراحل بالا را دوباره انجام دهید.
*** نتیجه آزمایش را به کلاس گزارش دهید .

* به سیم مسی حامل جریان در میدان مغناطیسی آهنربا، نیروی وارد شده و سیم مسی از آهنربا دور می شود.

** با تغییر جهت جریان نیروی وارد بر سیم نیز تغییر کرده و سیم به سمت آهنربا منحرف می شود، یعنی جهت جریان بر جهت نیرو اثر دارد.

*** هنگامی که سیم حامل جریان را در میدان مغناطیسی قرار می دهیم از طرف میدان مغناطیسی بر سیم حامل جریان نیرو وارد می شود. همچنین نیرویی که در میدان مغناطیسی بر سیم حامل جریان وارد می شود، بر راستای سیم و نیز بر راستای میدان مغناطیسی عمود است. اگر جریان عبوری از سیم را افزایش دهیم، سیم حامل جریان با شدت بیشتری حرکت می کند.

1) اگر در شکل 3_13 سیم حامل جریان در امتداد میدان مغناطیسی قرار گیرد، نیروی مغناطیسی وارد بر آن چقدر خواهد بود؟ در چه حالتی بزرگی این نیرو بیشینه می شود؟

2) یک میله رسانا به پایانه های یک باتری وصل شده و مطابق شکل در فضای بین قطب های یک آهنربای C شکل آویزان شده است و می تواند آزادانه نوسان کند. با بستن کلید k ، چه اتفاقی برای میله رسانا رخ می دهد؟ توضیح دهید.

1) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

F = BIL sinα

                           => F = BIL × 0 = 0 N                                                       

α = 0

a = 90

                         => F_MAX = BIL sin90 = BIL       

sin90 = 1

در حالتی که سیم در امتداد میدان مغناطسی قرار بگیرد نیرو صفر است و در صورتی که عمود به میدان باشد بیشینه می شود.

2) با توجه به جهت جریان در میله و جهت میدان مغناطیسی در فضای بین قطب های آهن ربا از قاعدهدست راست جهت نیروی وارد بر میله را پیدا کنید با بستن کلید K میله به طرف  راست حرکت می کند.

1) سیم مستقیمی به طول 2/4m حامل جریان 2/5A از شرق به غرب است. اندازهٔ میدان مغناطیسی زمین در محل این سیم  0/45Gو جهت آن از جنوب به شمال است. اندازه و جهت نیروی مغناطیسی وارد بر این سیم را تعیین کنید.

2) سیم رسانای  CDبه طول 2m مطابق شکل زیر عمود بر میدان مغناطیسی درون سو با اندازه 0/5T قرار گرفته است؛ اگر اندازه نیروی مغناطیسی وارد بر سیم برابر 1Nباشد، جهت و مقدار جریان عبوری از سیم را تعیین کنید.

1) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

2)

آزمایشى را طراحى کنید که به کمک آن بتوان نیروى مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان الکتریکى درون میدان مغناطیسی را اندازه گیرى کرد. در صورت لزوم، برای اجرای این آزمایش می توانید از ترازوهای دیجیتال (رقمی) با دقت g0.01 استفاده کنید.

مطابق شکل سیم را در یک آهن ربای نعلی شکل قرار می دهیم عددی که نیرو سنج نشان می دهد برابر وزن آهن رباست. پس از وصل کلید عددی که نیروسنج نشان می دهد تغییر کرده و افزایش می یابد.مقدار تغییر عدد ترازو نشان دهنده نیرویی است که میدان و سیم به وارد می کنند.

هدف: بررسی آثار مغناطیسی جریان الکتریکی  (آزمایش اورستد)
وسیله های مورد نیاز: باتری، سیم مسى نسبتاً ضخیم، صفحه مقوایى، عقربه مغناطیسى (قطب نما)، رئوستا و سیم رابط
شرح آزمایش:
سیم مسى را از صفحه مقوایى بگذرانید و با آن مدارى مطابق شکل زیر تشکیل دهید.
قبل از برقرارى جریان الکتریکى، عقربه مغناطیسى را درمجاورت سیم، روى مقوا قرار دهید و به راستاى قرارگرفتن آن توجه کنید.
* با وصل کردن مدار، جریان الکتریکی را از سیم مسی عبور دهید و به جهت گیرى عقربه مغناطیسى توجه کنید.
** عقربه مغناطیسى را در نقطه هاى مختلف روى مقوا قرار دهید و جهت آن را بررسى کنید.
*** با توجه به جهت گیری عقربه در نقاط مختلف صفحه ّ مقوایی، چند خط میدان مغناطیسى را رسم کنید.
این آزمایش را بار دیگر با جریانى در جهت مخالف تکرار کنید.
**** به کمک چند باتری دیگر یا تغییر مقاومت رئوستا، تحقیق کنید که افزایش یا کاهش جریان چه تأثیرى در نتیجه آزمایش دارد؟
نتیجه این آزمایش را در گروه خود بحث کنید و آن را به کلاس گزارش دهید.

عقربه مغناطیسی در جهت شمال جغرافیایی قرار می گیرد.

* با وصل کردن مدار، عقربه مغناطیسی نسبت به حالت اولیه منحرف می شود.

** جهت عقربه مغناطیسی در نقاط مختلف به دور سیم، دایره هایی هم مرکز با سیم هستند.

*** با تغییر جهت جریان، عقربه مغناطیسی نیز در نقاط مختلف معکوس می شود.

**** برای جریان های کم، عقربه مغناطیسی باید در فاصله کمی از سیم قرار گیرد تا جهت میدان مغناطیسی را در اطراف سیم نشان دهد. ولی برای جریان های زیاد، عقربه مغناطیسی می تواند در فاصله دورتری از سیم، جهت میدان مغناطیسی را به دور سیم نشان دهد.

با عبور جریان از سیم، میدان مغناطیسی در اطراف سیم ایجاد می شود که خطوط این میدان به صورت دایره های هم مرکز با سیم هستند. با نزدیک تر شدن به سیم، میدان مغناطیسی آن افزایش و با دور شدن از آن میدان مغناطیسی کاهش می یابد. همچنین افزایش جریان عبوری از سیم، میدان مغناطیسی آن را افزایش و کاهش جریان، میدان مغناطیسی را کاهش می دهد.

شکل زیر، جهت میدان مغناطیسی در اطراف یک سیم افقی و مستقیم حامل جریان را نشان می دهد. در ناحیه بالای سیم، جهت میدان مغناطیسی درون سو و در ناحیه پایین آن برون سو است. جهت جریان را در سیم تعیین کنید.

جهت جریان با توجه به قاعده دست راست به سمت چپ می باشد

1) دریافت خود را از شکل های الف و ب بیان کنید. در بیان خود، به چگونگی تغییر جهت و اندازه میدانB  در اطراف سیم حامل جریان اشاره کنید.

2) کدام باتری را در مدار شکل زیر قرار دهیم تا پس از بستن کلید k ، عقربه قطب نما که روی سیم قرار دارد، در خلاف جهت حرکت عقربه های ساعت شروع به چرخش کند؟ دلیل انتخاب خود را توضیح دهید.

3) جهت میدان مغناطیسی برایند (خالص) ناشی از سیم های موازی و بلند حامل جریان را در هر یک از نقطه های a ، b و c پیدا کنید. نقطه  ٔbدر فاصله مساوی از دو سیم قرار دارد.

1) الف) بردار میدان مغناطیسی در هر نقطه مماس و هم جهت با خط میدان در آن نقطه است در فاصله های مساوی از سیم اندازه میدان یکسان است. و با دور شدن از سیم اندازه میدان مغناطیسی حاصل از سیم حامل جریان کاهش یافته است.

ب) جهت میدان مغناطیسی طبق قانون دست راست مشخص می شود. میدان مغناطیسی در اطراف سیم به صورت دایره های متحدالمرکز است و در نزدیک سیم خطوط میدان بهم نزدیک تر و میدان قویتر است و بالعکس.

2) با توجه به جهت قرار دادی باتری A باید در مدار قرار گیرد تا عقربه مغناطیسی روی سیم به طرف چپ بچرخد. از منظری دیگر، عقربه قطب نما همواره در جهت میدان مغناطیسی قرار می گیرد. برای اینکه عقربه به طرف چپ بچرخد، باید میدان مغناطیسی بر روی سیم به طرف چپ باشد. برای ایجاد چنین میدانی (طبق قاعده دست راست) جریان سیم باید رو به پایین باشد. این جریان توسط باتری A ایجاد می شود.

3) میدان مغناطیسی برآیند در نقطه های a،b و c به ترتیب برون سو،صفر و درون سو می باشد.

شکل زیر، یک حلقه حامل جریان را نشان می دهد که جهت خط های میدان مغناطیسی درون و بیرون آن نشان داده شده است. جهت جریان را در این حلقه تعیین کنید.

پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

سیملوله ای آرمانی به طول 40Cm چنان طراحی شده است که جریان بیشینه ای به شدت 1/2A می تواند از آن بگذرد. با عبور این جریان از سیملوله، اندازهٔ میدان مغناطیسی درون آن و دور از لبه ها 270G می شود. تعداد دورهای سیملوله چقدر باید باشد؟

پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

کدام باتری را در مدار شکل زیر قرار دهیم تا آهنربای میله ای آویزان شده به طرف سیملوله جذب شود؟ دلیل انتخاب خود را توضیح دهید.

برای جذب شدن آهن ربا به سمت سیملوله باید قطب نزدیک سیملوله S باشد با توجه به قاعده دست راست جریان باید از بالا وارد سیملوله شده و از پایین خارج شود که این را باتری A می تواند ایجاد کند.

آزمایشی را طراحی و اجرا کنید که به کمک آن بتوان با استفاده از برادهٔ آهن، طرح خط های میدان مغناطیسی را در اطراف یک سیم بلند (شکل الف)، یک حلقه دایره ای (شکل ب) و یک سیملوله حامل جریان (شکل پ) ایجاد کرد.

تعدادی عقربه مغناطیسی(یا براده های آهن) در اطراف سیم راست حامل جریان الکتریکی قرار دهیم.ملاحظه میشود عقربه مغناطیسی(یا براده های آهن)در اطراف سیم، روی مسیر های دایره ای جهت گیری می کنند.

یک مقوا را از وسط حلقه دایره ای حامل جریان عبور می دهیم سپس تعدادی عقربه مغناطیسی مطابق شکل در اطراف حلقه قرار می دهیم، می بینیم جهت عقربه در داخل و خارج حلقه مخالف هم خواهد بود.

در داخل سیم لوله براده ای آهن هم ردیف شده و خطوط موازی تشکیل داده اند  که نشان دهنده میدان یکنواخت در درون سیم لوله دور از لبه هااست و تجمع براده ها در داخل سیم لوله بیشتر از خارج آن است که نشان دهنده میدان مغناطیسی قوی در داخل سیملوله است.

الف) قسمتی از سیم نازک روکش داری را دو میخ آهنی نسبتاً بلندی بپیچید و مداری مطابق شکل تشکیل دهید. با تغییر مقاومت رئوستا جریان عبوری از مدار را تغییر دهید. بررسی کنید برای جریان های متفاوت، آهنربای الکتریکی چه تعداد گیره فلزی را می تواند بلند کند.

ب) اگر تعداد دورهای سیم دو برابر شود، نتیجه کار چه تفاوتی خواهد داشت؟

الف) اگر جریان عبوری از سیملوله زیاد باشد ، چون میدان مغناطیسیی ایجاد شده در میخ آهنی افزایش می یابد،در نتیجه تعداد گیره های بیشتری جذب می کند و با کاهش جریان نیز میدان مغناطیسی کاهش یافته و گیره های کمتری جذب می کند.

ب) چون میدان مغناطیسی با تعداد دور ها متناسب است پس با افزایش تعداد دور ها، میدان مغناطیسی نیز افزایش یافته و تعداد گیره های بیشتری جذب خواهد کرد.

یک لوله آزمایش را تا نزدیکی لبه آن از الکل طبی (اتانول 96 درجه) پر کنید. در لوله را ببندید و آن را به طور افقی قرار دهید. مطابق شکل، یک آهنربای نئودیمیم را بالای حباب هوای درون لوله بگیرید و به آرامی آهنربا را حرکت دهید. دلیل آنچه را مشاهده می کنید در گروه خود به گفت و گو بگذارید.

در این آزمایش الکل دیامغناطیس توسط آهن ربا  راده می شود و این رانده شدنسبب جذب حباب درون الکل به آهن ربا خواهد شد

دو میله فلزی بلند مطابق شکل زیر درون سیملوله ای که دور یک لوله مقوایی پیچیده شده است قرار دارند. با بستن کلید و عبور جریان از این سیملوله، مشاهد می شود که دو میله از یکدیگر دور می شوند. وقتی کلید باز و جریان در مدار قطع می شود، میله ها به محل اولیه بازمی گردند.
الف) چرا با عبور جریان از پیچه، میله ها از یکدیگر دور می شوند؟
ب) با دلیل توضیح دهید میله های فلزی از نظر مغناطیسی در کدام دسته قرار می گیرند.

الف) بر اثر عبور جریان از سیملوله مغناطیسی درون پیچه ، سبب مغناطیسی شدن میله ها و در نتیجه دور شدن آنها از هم می شود.

ب) چون پس از بستن میله ها ازهم دور شده اند. باید از جنس فرو مغناطیس گرم باشند. توجه کنید پس از باز کردن کلید، دوباره میله ها به محل اولیه برمی گردند و این نشان می دهد پس از باز کردن کلید میله ها خاصیت مغناطیسی را در خود نگه نمی دارند و از جنس فرومغناطیس نرم هستند.

الف) حلقه ای به مساحت 45Cm² درون میدان مغناطیسی یکنواخت درون سویی به اندازه 0/03T قرار دارد (شکل الف). شار مغناطیسی عبوری از حلقه را به دست آورید.
ب) اگر مطابق شکل ب و بدون تغییر B مساحت سطح حلقه را به 10Cm² برسانیم، شار مغناطیسی عبوری از حلقه را در این وضعیت به دست آورید.
پ) اگر این تغییر شار در بازهٔ زمانی  t∆=0/2s رخ داده باشد، آهنگ تغییر شار را پیدا کنید.

الف) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

ب)

پ)

کدامیک از یکاهای زیر معادل یکای وبر بر ثانیه (Wb/s) است؟

V/A                       V                      A                             Ω

پاسخ V می باشد.

1) میدان مغناطیسی بین قطب های آهنربای الکتریکی شکل زیر که بر سطح حلقه عمود است با زمان تغییر می کند و در مدت 0/45s از 0/28T، رو به بالا، به 0/17T، رو به پایین می رسد. در این مدت،
الف) نیروی محرکه القایی متوسط در حلقه را به دست آورید.
ب) اگر مقاومت حلقه Ω10باشد، جریان القایی متوسط در حلقه را پیدا کنید.

2) مساحت هر حلقه پیچه ای 30cm² و پیچه متشکل از 1000 حلقه است. در ابتدا سطح حلقه ها بر میدان مغناطیسی زمین عمود است. اگر در مدت 0/020s پیچه بچرخد و سطح حلقه ها موازی میدان مغناطیسی زمین شود، نیروی محرکه القایی متوسط در آن چقدر است؟ اندازه میدان زمین را 0/50G در نظر بگیرید.

1) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

2) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

تندی سنج دوچرخه های مسابقه ای شامل یک آهنربای کوچک و یک پیچه است. آهنربا به یکی از پره های چرخ جلو و پیچه به دو شاخ فرمان متصل است (شکل زیر). دو سر پیچه با سیم های رسانا به نمایشگر تندی سنج (که در واقع نوعی رایانه کوچک است) وصل شده است. به نظر شما تندی سنج دوچرخه چگونه کار می کند؟ این موضوع را در گروه خود به گفت و گو بگذارید و نتیجه را به کلاس درس ارائه دهید.

عبور آهنربا از جلوی پیچه متصل به دو شاخه جلوی دو چرخه ،سبب تغییر شار مغناطیسی عبوری از پیچه و در نتیجه القای جریان می شود.این جریان توسط یک رایانه کوچک خوانده می شود و با توجه به تعداد مرتبه ای که این جریان القایی در یک زمان مشخص(مثلا یک دقیقه) توسط رایانه ثبت می شود و همچنین با توجه به قطر چرخ که در رایانه وجود دارد،سرعت سنج دوچرخه کار می کند.

1) با توجه به جهت جریان القایی در مدار شکل الف، توضیح دهید که آیا آهنربا رو به بالا حرکت می کند یا رو به پایین.

2) شکل ب سیم بلند و مستقیمی را نشان می دهد که جریان عبوری از آن در حال افزایش است. جهت جریان القایی را در حلقه رسانای مجاور سیم تعیین کنید.

3) اگر در مدار شکل پ مقاومت رئوستا افزایش یابد، جریان القایی در حلقه رسانای داخلی در چه جهتی ایجاد می شود؟

4) حلقه رسانای مستطیل شکلی را مطابق شکل ت به طرف راست می کشیم و از میدان مغناطیسی درون سویی خارج می کنیم. جهت جریان القایی در حلقه در چه جهتی است؟

1) در شکل (الف) آهنربا رو به پایین حرکت می کند و در شکل (ب) جهت جریان القایی را در حلقه ساعتگرد است.

2) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

3) با افزایش مقاومت رئوستا،جریان عبوری از مدار کاهش می یابد و در نتیجه شار عبوری از حلقه رسانا نیز کاهش می یابد. با توجه به جهت جریان و میدان مغناطیسی ناشی از مدار،جریان القایی در جهت پادساعتگرد در حلقه رسانا به وجود می آید.

4) با خروج قاب میدان مغناطیسی و شار عبوری از آن کاهش می یابد و طبق قانون لنز برای مخالفت با تغییر شار، B’ القا شده در مرکز قاب هم جهت با B و  جریان القایی ساعنگرد است.

معادله جریان ــ زمان یک مولد جریان متناوب برحسب یکاهای SI به صورت I=(4/0×10^-3)sin250πt
الف) جریان در دو لحظه t₁=2/0ms و t₂=8/0ms چقدر است؟
ب) دورهٔ تناوب جریان را به دست آورید و نمودار جریان ــ زمان را در یک دوره کامل رسم کنید.

الف)

ب)

1) با توجه به جهت گیری عقربه های مغناطیسی در شکل زیر، قطب های آهنربای میله ای و جهت خط های میدان مغناطیسی را تعیین کنید.

2) الف) آهنربای میله ای با قطب های نامشخص در اختیار داریم. دست کم دو روش را برای تعیین قطب های این آهنربا بیان کنید.
ب) خط های میدان مغناطیسی بین دو آهنربا در شکل زیر نشان داده شده است. اندازه میدان مغناطیسی را در نزدیکی قطب های آهنرباها با هم مقایسه کنید.

3) کودکی یک قطعه کوچک آهنی را بلعیده است. پزشک می خواهد آن را با دستگاه شکل زیر بیرون بیاورد.

الف) هنگامی که آهنربای دائمی به نوک ثابت آهنی نزدیک می شود چه اتفاقی می افتد؟
ب) ساختن نوک ثابت آهن چه مزیتی دارد؟
پ) این وسیله را باید به درون گلوی کودک وارد و به سوی فلز بلعیده شده هدایت کرد؛ چرا غلاف باید انعطاف پذیر باشد؟
ت) پزشک می خواهد یک گیره آهنی کاغذ و یک واشر آلومینیومی را از گلوی کودک بیرون بیاورد؛ کدام یک را می توان بیرون آورد؟ چرا؟

4) چهار ذره هنگام عبور از میدان مغناطیسی درون سو مسیرهایی مطابق شکل زیر می پیمایند. درباره نوع بار هر ذره چه می توان گفت؟

5) جهت نیروی مغناطیسی وارد بر بار مثبت را در هریک از حالت های نشان داده در شکل زیر تعیین کنید.

6) حلقه رسانای مستطیل شکلی که حامل جریان I است، مطابق شکل درون میدان مغناطیسی یکنواخت می چرخد. جهت جریان را در حلقه تعیین کنید.

7) پروتونی با تندی 10⁶ × 4/4 متر بر ثانیه درون میدان مغناطیسی یکنواختی به اندازهٔ 18mT در جرکت است. جهت حرکت پروتون با جهت B ، زاویه 60 درجه می سازد.

الف) اندازهٔ نیروی وارد بر این پروتون را محاسبه کنید.
ب) اگر تنها این نیرو بر پروتون وارد شود، شتاب پروتون را حساب کنید. (بار الکتریکی پروتون ^19-10 × 1/6 کولن و جرم آن ^27-10 × 1/7 را در نظر بگیرید.)

8) ذرهٔ باردار مثبتی با جرم ناچیز و با سرعت v در امتداد محور x وارد فضایی می شود که میدان های یکنواخت E و B وجود دارد (شکل زیر). اندازه این میدان ها برابر E=450N/C و B=0/18T است. تندی ذره چقدر باشد تا در همان امتداد محور x به حرکت خود ادامه دهد؟

9) جهت نیروی الکترومغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان را در هر یک از شکل های الف، ب و پ با استفاده از قاعده دست راست بیابید.

10) یک سیم حامل جریان 1/6 آمپر مطابق شکل زیر با دو نیروسنج فنری که به دو انتهای آن بسته شده اند، به طور افقی و در راستای غرب ـ شرق قرار دارد. میدان مغناطیسی زمین را یکنواخت، به طرف شمال و اندازه 0/05mT بگیرید.

الف) اندازهٔ نیروی مغناطیسی وارد بر هر متر این سیم را پیدا کنید.

ب) اگر بخواهیم نیروسنج ها عدد صفر را نشان دهند، چه جریانی و در چه جهتی باید از سیم عبور کند؟ جرم هر متر از طول این سیم 8 گرم است (g=9/8N/kg)

11) یک آهنربای میله ای مطابق شکل زیر، بالای سیملوله ای آویزان شده است. توضیح دهید با بستن کلید K چه تغییری در وضعیت آهنربا رخ می دهد.

12) شکل زیر، دو سیم موازی و بلند حامل جریان را نشان می دهد. اگر میدان مغناطیسی برایند حاصل از این سیم ها در نقطه A صفر باشد، جهت جریان آن را در سیم 2 پیدا کنید.

13) سیملوله ای شامل 250 حلقه است که دور یک لوله پلاستیکی توخالی به طول 0.14 متر پیچیده شده است. اگر جریان گذرنده از سیملوله 0/8A باشد، اندازه میدان مغناطیسی درون سیملوله را حساب کنید.

14) در شکل زیر دو سیملوله P و Q هم محورند و طول برابر دارند. تعداد دور سیملوله  P برابر 200 و تعداد دور سیملوله  Qبرابر 300 است. اگر جریان 1A از سیملوله Q عبور کند، از سیملوله P چه جریانی باید عبور کند تا برایند میدان مغناطیسی ناشی از دو سیملوله در نقطه  M(روی محور دو سیملوله) صفر شود؟

15) شکل الف حوزه های مغناطیسی ماده فرومغناطیسی را درون میدان خارجی B نشان می دهد. شکل ب همان ماده را پس از حذف میدان B نشان می دهد. نوع ماده فرومغناطیسی را با ذکر دلیل تعیین کنید.

16) با توجه به آنچه در بخش ویژگی های مغناطیسی مواد دیدید، نقشه مفهومی زیر را کامل کنید.

17) دو سیملوله با حلقه های با مساحت یکسان ولی با تعداد دور متفاوت را مطابق شکل های زیر به ولتسنج حساسی وصل کرده ایم. دریافت خود را از این شکل ها بنویسید. (آهنرباها مشابه اند و با تندی یکسانی به طرف سیملوله ها حرکت می کنند.)

18) دو سیملوله مشابه را مطابق شکل های زیر به ولت سنج حساسی وصل کرده ایم. دریافت خود را از شکل های زیر بنویسید. (آهنرباها مشابه اند ولی با تندی متفاوتی به طرف سیملوله حرکت می کنند).

19) شکل زیر ساختمان یک بادسنج را نشان می دهد. اگر این بادسنج را روی بام خانه نصب کنیم، به هنگام وزیدن باد میله آن می چرخد و ولت سنج عددی را نشان می دهد.
الف) چرا چرخش میله سبب انحراف عقربه ولت سنج می شود؟
ب) آیا با افزایش تندی باد، عددی که ولت سنج نشان می دهد تغییر می کند؟ چرا؟
پ) برای بهبود و افزایش دقت کار دستگاه دو پیشنهاد ارائه دهید.

20) سطح حلقه های پیچه ای که دارای 1000 حلقه است، عمود بر میدان مغناطیسی یکنواختی که اندازه آن 0/040T و جهت آن از راست به چپ است، قرار دارد. میدان مغناطیسی در مدت s0.010 تغییر می کند و به 0/040T در خلاف جهت اولیه میرسد. اگر سطح هر حلقه پیچه 50cm² باشد، اندازهٔ نیروی محرکه القایی متوسط در پیچه را حساب کنید.

21) قطب N یک آهنربا را مطابق شکل زیر به یک حلقه رسانا نزدیک می کنیم. جهت جریان القایی را در حلقه مشخص کنید.

22) دو آهنربای میله ای مشابه را مطابق شکل، به طور قائم از ارتفاع معینی نزدیک سطح زمین رها می کنیم به طوریکه یکی از آنها از حلقه رسانایی عبور می کند. اگر سطح زمین در محل برخورد آهنرباها نرم باشد، مقدار فرورفتگی آهنرباها را در زمین با یکدیگر مقایسه کنید. (تأثیر میدان مغناطیسی زمین روی آهنرباها را نادیده بگیرید)

23) جهت جریان القایی را در هریک از حلقه های رسانای نشان داده شده در شکل های زیر تعیین کنید.

24) شکل زیر سیملوله حامل جریانی را نشان می دهد که در حال دور شدن از یک حلقه رساناست. جهت جریان القایی را در حلقه با ذکر دلیل تعیین کنید.

25) دو حلقه رسانا در نزدیکی یک سیم دراز حامل جریان ثابت I قرار دارند؛ این دو حلقه با تندی یکسان، ولی در جهت های متفاوت مطابق شکل زیر حرکت می کنند. جهت جریان القایی را در هر حلقه با ذکر دلیل تعیین کنید.

26) شکل زیر رسانای U شکلی را درون میدان مغناطیسی یکنواخت B که عمود بر صفحه شکل و رو به داخل صفحه است نشان می دهد. وقتی میله فلزی CD به طرف راست حرکت کند، جهت جریان القایی در مدار در چه جهتی است؟

27) در مدار نشان داده شده در شکل زیر، جهت جریان القایی را در مقاومت R در هریک از دو حالت زیر با ذکر دلیل پیدا کنید:
الف) در لحظه بستن کلید K، ب) در لحظه باز کردن کلید .

28) حلقه رسانای مربعی شکل، به طول ضلع 10Cm وارد میدان مغناطیسی درون سویی به اندازه 20mT سپس از آن خارج می شود.

الف) در کدام مرحله شار عبوری از حلقه بیشینه است؟ مقدار شار گذرنده از حلقه در این حالت چقدر است؟
ب) در کدام وضعیت (ها) شار گذرنده از حلقه تغییر می کند؟ جهت جریان القایی را در حلقه تعیین کنید.

29) حلقه رسانایی به طرف یک آهنربای میله ای حرکت می کند.شکل زیر، حلقه را در سه وضعیت نسبت به آهنربا نشان می دهد.
جهت جریان القایی را در حلقه برای هر وضعیت به طور جداگانه تعیین کنید.

30) شکل زیر مداری را نشان می دهد؛ شامل یک القاگر (سیملوله)، باتری، رئوستا و آمپرسنج که به طور متوالی به یکدیگر بسته شده اند. اگر بخواهیم بدون تغییر ولتاژ باتری، انرژی ذخیره شده در القاگر را زیاد کنیم چه راهی پیشنهاد می کنید؟

31) جریان متناوبی که بیشینه آن 2/0A و دوره آن 0/020s است، از یک رسانای 5 اهمی می گذرد.
الف) اولین لحظه ای که در آن جریان بیشینه است چه لحظه ای است؟ در این لحظه نیروی محرکه القایی چقدر است؟

ب)در لحظه t=1/400 s ، جریان چقدر است؟

1) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

2) الف)

1- با نخ آویزان کردن

آهن ربا را با نخ آویزان می کنیم پس از چند نوسان در امتداد شمال و جنوب جغرافیایی می ایستد قطبی که طرف شمال را نشان می دهد N و طرف دیگر S است.

2- استفاده از یک آهنربا با قطب معلوم

آهنربایی که قطب های مشخص دارد به آن نزدیک و از روی تاثیر قطب های N  و S بر یکدیگر قطب های آهن ربا مشخص می شود.

ب) چون تعداد خطوط و تراکم خطوط میدان مغناطیسی اطراف آهن ربای 2 بیشتر از تذاکم خطوط میدان آهن ربای 1 است پس B₂ > B₁ است.

3) الف) در اثر القای مغناطیسی، نوک ثابت آهنی، آهن ربا می شود.

ب) نوک ثابت از جنس آهنی،با نزدیک کردن آهن ربای دائمی به آن سریعا خاصیت مغناطیسی پیدا می کند و با دور کردن آهن ربای دائمی خاصیت آهن ربایی خود را به سرعت از دست می دهد.

پ) چون مجرای گوارشی انحنا دارد،این غلاف باید بتواند بدون آسیب به این مجرا وارد آن شود،در نتیجه باید انعطاف پذیر باشد.

ت) گیره آهنی کاغذ از جنس فرومغناطیس نرم است ، زود آهن ربا شده و جذب نوک ثابت آهنی می شود و بیرون کشیده می شود ولی آلومینیم پارا مغناطیس است و نمی توان به سهولت خاصیت مغناطیسی در آن القا کرد و به میدان مغناطیسی بسیار قوی نیاز است پس با این روش جذب نوک ثابت نخواهد شد.

4) با توجه به قانون دست راست نوع بار ذره 1 مثبت، نوع بار ذره 2 منفی،چون ذره 3 انحرافی ندارد خنثی است و نوع بار ذره 4 منفی است.

5) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

6) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

7) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

الف)

ب)

8) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

9) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

10) الف)

ب)

عبور چنین جریان بزرگی از چنین سیم در عمل امکان پذیر نیست. بنابراین،نمی توان انتظار داشت نیروسنج ها عدد صفر را نشان دهند.

11) با وصل کردن جریان ایجاد شده در سیملوله به سمت چپ بوده و با توجه به قانون دست راست قطب های ناهمنام سیملوله مجاور قطب های آهن ربای میله ای قرار می گیرد، که در این وضعیت قطب N آهن ربای میله ای به سمت پایین کشیده می شود.

12) میدان مغناطیسی سیم 1 در نقطه A درون سو است برای این که برایند میدان مغناطیسی در این نقطه صر شود باید میدان مغناطیسی سیم 2 برون سو باشد با کمک قانون دست  راست جهت جریان به سمت چپ می شود.

13)

14) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

15) شکل الف و ب، ماده فرومغناطیسی نرم

زیرا بلافاصله بعد از حذف میدان خارجی علاوه بر کاهش حجم حوزه ها جهت میدان حوزه ها به حالت کاتوره ای خود برمیگردند در نتیجه برآیند میدان ها در این مواد صفر شده و دیگر خاصیت آهن ربایی ندارند.

16) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

17) در شکل الف و ب با ورود آهن ربا به پیچه نیرو محرکه و جریانی در آن القا شده است با این تفاوت که در شکل ب که تعداد دور های پیچه بیشتر از الف است نیرو  محرکه و جریان بزرگتری القا می شود.

18) در شکل (ب) سرعت حرکت آهن ربا و در نتیجه آهنگ تغییر شار بیشتر از شکل الف است بنابراین نیروی محرکه القایی بیشتر است.

19) الف) با چرخ میله، آهنربای متصل به آن نیز می چرخد و سبب تغییر شار مغناطیسی در فضای اطراف خود می شود. این امر سب القای جریانی در سیم پیچ می شود.

ب) با افزایش سرعت،آهنگ تغییر شار مغناطیسی نیز افزایش می یابد و در نتیجه جریان بزرگتری در سیم پیچ القا می شود.

پ) استفاده از سیم پیچ  با تعداد دور های بیشتر و آهن ربای قویتر با روغن کاری دستگاه و کاهش اصطکاک همچنین استفاده از ولت سنج دقیق تر می تواند سبب بهبود و افزایش دقت دستگاه شود.

20) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

21) چون آهن ربا در حال نزدیک شدن به حلقه است شار مغناطیسی افزایش می یابد در نتیجه  میدان مغناطیسی حلقه خلاف جهت میدان  مغناطیسی آهن ربا خواهد بود با استفاده از قاعده دست راست برای خلقه ، جهت جریان در حلقه ساعتگرد خواهد بود.

22) آهن ربا هنگام عبور از حلقه رسانا، با مخالفتی زیر می شود که منشا آن به جریان القایی در حلقه مربوط است. بنابراین،آهن ربایی که از حلقه می گذرد ،کمتر در زمین فرو می رود.

23) الف) شار مغناطیسی سیم بلند در درون حلقه برون سو و در حال افزای است طبق قانون لنز،شار مغناطیسیی حلقه باید با افزایش شار مخالفت کند با توجه به قاعده دست راست جهت جریان القایی،ساعتگرد را بوجود می آورد.

ب) شار مغناطیسی سیم بلند در درون حلقه برون سو و در حال کاهش است طبق قانون لنز ،شار مغناطیسی حلقه باید با کاه شار مخالفت کند با توجه به قاعده دست راست جهت جریان القایی، پادساعتگرد را بوجود می آورد.

پ) چون جریان ثابت است شار مغناطیسی سیم بلند در درون حلقه ثابت بوده و جریان القایی صفر می شود.

24) با ور شدن سیم لوله شار مغناطیسی کاهش می یابد. در نتیجه میدان مغناطیسی حلقه هم جهت با میدان مغناطیسی سیم لوله(به سمت راست)خواهد بود. با توجه به قاعده دست راست برای جریان القایی (برای ناظر در سمت سیملوله) در جهت پادساعتگرد می شود.

25) در حلقه سمت چپ، چون به موازا سیم دراز حامل جریان ثابت سیم I حرکت می کند،جریانی القا نمی شود. شار عبوری از حلقه در هر لحظه از زمان ثابت است و تغییری نمی کند. در حلقه سمت راست ، جریان در جهت ساعتگرد القا می شود تا کاهش شار عبوری از آن جبران شود.

26) با حرکت میله فلزی به سمت راست میدان عبوری از مساحت قاب افزایش و شار افززایش می یابد طبق قانون لنز برای مخالفت با افزایش شار جریان پاد ساعتگرد در قاب ایجاد می شود.

27) الف) با بستن کلید شار مغناطیسی افزایش می یابد میدان سیم لوله ها  خلاف جهت هم می شود. در نتیجه جریان در مقاومت R ازb بهa می باشد.

ب) باز باز کردن کلید شار مغناطیسی کاهش می یابد میدان  سیم لوله ها هم جهت هم می شود. در نتیجه جریان در مقتومت R از a به b می باشد.

28) الف) در 2 بیشترین شار مغناطیسی از حلقه می گذرد.

ب) در شکل 1 و 3 هنگام ورود و خروج قاب به میدان مغناطیسیی شار مغناطیسی تغییر می کند. طبق قاعده دست راست و قانون لنز جهت جریان القایی در شکل 1 پادساعتگرد و در شکل 3 ساعتگرد است.

29) حالت 1- با نزدیک شدن حلقه به آهن ربا شار مغناطیسی افزایش می یابد در نتیجه میدان مغناطیسی حلقه خلاف جهت میدان آهن ربا است بنابراین جریان مطابق شکل است.

حالت 2- تغییرات شار مغناطیسی در این حالت نداریم ،بنابراین جریان هم در حلقه القا نمی شود.

حالت 3- با دور شدن حلقه از آهن ربا شار مغناطیسی کاهش می یابد درنتیجه میدان مغناطیسی حلقه هم جهت میدان آهن ربا است بنابراین مطابق شکل است.

30) انرژی ذخیره شده در القاگر از رابطه U=1/2 LI² به دست می آید.با کاهش مقاومت رئوستا، جریان عبوری از مدار و در نتیجه القاگر افزایش می یابد. در این صورت انرژی بیشتری در القاگر ذخیره می شود. با قرار دادن یک هسته فرو مغناطیسی نرم درون القاگر (سیملوله)، ضریب خودالقایی آن افزایش می یابد و در نتیجه انرژی بیشتری در القاگر ذخیره می شود.

31) الف)

ب)