دوقطبی الکتریکی. فیزیک، پایه دهم. الکترودینامیک

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-02 17:45

هنگام مطالعه فیزیک در پایه دهم، مبحث دوقطبی ها در نظر گرفته می شود. این مفهوم به چه معناست و از چه فرمول هایی برای محاسبه آن استفاده می شود؟

مقدمه

اگر یک دوقطبی را در فضای میدان الکتریکی یکنواخت قرار دهید، می توانید آن را به عنوان خطوط نیرو نشان دهید. دوقطبی سیستمی است که در آن دو بار وجود دارد که از نظر پارامترها یکسان هستند، اما بارهای نقطه مقابل یکدیگر هستند. علاوه بر این، فاصله بین آنها بسیار کمتر از فاصله هر نقطه از میدان دوقطبی خواهد بود. مفهوم گشتاور دوقطبی در درس الکترودینامیک مدرسه (پایه 10) مورد مطالعه قرار می گیرد.

محور دوقطبی یک خط مستقیم است که از نقاط هر دو بار می گذرد. بازوی دوقطبی برداری است که بار را به هم متصل می کند و در عین حال از ذرات با بار منفی به ذرات با بار مثبت می رود. یک دوقطبی الکتریکی با وجود حالتی مانند دوقطبی یا گشتاور الکتریکی مشخص می شود.

طبق تعریف، گشتاور دوقطبی برداری است که از نظر عددی برابر با حاصل ضرب بار دوقطبی و بازوی آن است. علاوه بر این، با شانه دوقطبی کارگردانی می شود. در برابری صفر مجموع نیروها، مقدار لحظه را محاسبه می کنیم. برای زاویه ای که بین گشتاور دوقطبی وجهت میدان الکتریکی، وجود یک گشتاور مکانیکی مشخصه است.

اغلب محاسبه مدول اثر بر ساختار دوقطبی برای مردم دشوار است. در اینجا لازم است ویژگی های محاسبه زاویه "آلفا" را در نظر بگیریم. مشخص است که دوقطبی از موقعیت متعادل منحرف می شود. اما لحظه دوقطبی به خودی خود یک ویژگی بازیابی دارد، زیرا تمایل به حرکت دارد.

محاسبات

وقتی این گشتاور دوقطبی در محیط یک میدان الکتریکی ناهمگن قرار می گیرد، ناگزیر نیرویی ایجاد می شود. در چنین محیطی شاخص های مجموع نیروها صفر نخواهد بود. در نتیجه، نیروهایی با یک کاراکتر نقطه ای بر ممان دوقطبی وارد می شوند. اندازه بازوی دوقطبی بسیار کوچکتر است.

فرمول را می توان اینگونه نوشت: F=q (E2 - E1)=qdE، جایی که d دیفرانسیل میدان الکتریکی است.

جستجوی ویژگی های مفهوم فیزیکی مورد مطالعه

بیایید به موضوع بیشتر نگاه کنیم. برای اینکه مشخص شود میدان الکتریکی چیست، اگر با استفاده از یک سیستم بارها ایجاد شده و در یک فضای کوچک بومی سازی شود، لازم است تعدادی محاسبات انجام شود. یک مثال توسط اتم ها و مولکول ها ارائه شده است که در ترکیب خود دارای هسته و الکترون باردار الکتریکی هستند.

اگر لازم باشد میدانی را در فاصله ای بیشتر از ابعادی که ناحیه ای که ذرات در آن قرار دارند جستجو کنیم، از تعدادی فرمول دقیق استفاده خواهیم کرد که بسیار پیچیده هستند. می توان از ساده تر استفاده کردعبارات تقریبی فرض کنید مجموعه های نقطه ای از بارها q_{k در ایجاد میدان الکتریکی شرکت می کنند. آنها در یک فضای کوچک واقع شده اند.}

برای محاسبه مشخصه ای که فیلد دارد، مجاز است تمام شارژهای سیستم را با هم ترکیب کرد. چنین سیستمی به عنوان یک بار نقطه ای Q در نظر گرفته می شود. شاخص های بزرگی مجموع بارهایی هستند که در سیستم اصلی بودند.

محل شارژ

بیایید تصور کنیم که محل شارژ در هر مکانی که سیستم شارژ q_{k قرار دارد نشان داده شده است. هنگام ایجاد تغییرات در مکان، اگر دارای محدودیت‌هایی باشد که در یک منطقه کوچک بیان شده است، چنین تأثیری ناچیز خواهد بود و از نظر میدان تقریباً نامحسوس خواهد بود. در چنین حدود تقریبی قدرت و پتانسیل که میدان الکتریکی دارد، با استفاده از فرمول‌های سنتی تعیین می‌شود.}

هنگامی که مجموع شارژ کل سیستم صفر شود، پارامترهای تقریب نشان داده شده خشن به نظر می رسند. این دلیلی برای این نتیجه می دهد که میدان الکتریکی به سادگی وجود ندارد. در صورت نیاز به تقریب دقیق‌تر، گروه‌های جداگانه‌ای از بارهای مثبت و منفی سیستم مورد نظر را جمع‌آوری کنید.

در مورد جابجایی "مراکز" آنها نسبت به سایرین، پارامترهای میدان در چنین سیستمی را می توان به عنوان میدانی توصیف کرد که دارای دو بار نقطه ای است، از نظر بزرگی مساوی و از نظر علامت مخالف. خاطرنشان می شود که آنها در رابطه با دیگران آواره هستند. فراهم كردنبرای توصیف دقیق‌تر سیستم بارها بر حسب پارامترهای این تقریب، بررسی ویژگی‌های یک دوقطبی در میدان الکتریکی ضروری است.

معرفی اصطلاح

برگردیم به تعریف. دوقطبی الکتریکی تعریف سیستمی است که دارای دو بار نقطه ای است. آنها دارای اندازه یکسان و علائم مخالف هستند. علاوه بر این، چنین علائمی در فواصل کم نسبت به سایر علائم قرار دارند.

می توانید مشخصه فرآیندی را محاسبه کنید که با استفاده از یک دوقطبی ایجاد می شود و با دو بار نقطه ای نشان داده می شود: +q و -q، و آنها در فاصله ای نسبت به بقیه قرار دارند.

توالی محاسبات

بیایید با محاسبه پتانسیل و شدتی که دوقطبی روی سطح محوری خود دارد شروع کنیم. این یک خط مستقیم است که بین دو بار شارژ می شود. به شرطی که نقطه A در فاصله ای برابر با r نسبت به قسمت مرکزی دوقطبی قرار گیرد و اگر r >> a باشد، طبق اصل برهم نهی برای پتانسیل میدان در این نقطه، منطقی خواهد بود که از عبارت برای محاسبه پارامترهای دوقطبی الکتریکی استفاده کنید.

بزرگی بردار قدرت با اصل برهم نهی محاسبه می شود.برای محاسبه شدت میدان از مفهوم نسبت پتانسیل و شدت میدان استفاده می شود:

E_{x=-Δφ /Δx.}

در چنین شرایطی، جهت بردار شدت به صورت طولی نسبت به محور دوقطبی نشان داده می شود. برای محاسبه مدول آن، فرمول استاندارد قابل استفاده است.

مهمتوضیحات

باید در نظر گرفت که تضعیف میدان دوقطبی الکتریکی سریعتر از تجربه بار نقطه ای رخ می دهد. فروپاشی پتانسیل میدان دوقطبی با مجذور فاصله نسبت معکوس دارد و شدت میدان با مکعب فاصله نسبت معکوس دارد.

با استفاده از روش های مشابه، اما دست و پا گیرتر، پارامترهای پتانسیل و قدرت میدان دوقطبی در نقاط دلخواه یافت می شوند، که پارامترهای موقعیت آن با استفاده از روش محاسبه ای مانند مختصات قطبی تعیین می شوند: فاصله تا مرکز دوقطبی الکتریکی (r) و زاویه (θ).

محاسبه با استفاده از بردار کشش

مفهوم بردار شدت E به دو نقطه تقسیم می شود:

• شعاعی (E_{r)، که در جهت طولی نسبت به خط مستقیم هدایت می شود.}
• چنین خط مستقیمی نقطه مشخص شده و مرکز دوقطبی را با عمود بر آن E_{θ وصل می کند.}

این تجزیه هر جزء در امتداد مسیر تغییری است که با همه مختصات نقطه قابل مشاهده رخ می دهد. می توانید آن را با نسبتی که نشانگرهای قدرت میدان را به تغییرات احتمالی مرتبط می کند، پیدا کنید.

برای یافتن مؤلفه برداری در شدت میدان، تعیین ماهیت رابطه در تغییرات بالقوه ای که به دلیل جابجایی نقطه مشاهده در جهت بردارها رخ می دهد، مهم است.

محاسبه مولفه عمود

وقتی تمام شدبرای این روش، مهم است که در نظر بگیریم که بیان قدر در یک جابجایی عمودی کوچک با تغییر زاویه تعیین می‌شود: Δl=rΔθ.پارامترهای بزرگی برای این جزء میدان برابر خواهد بود.

با به دست آوردن نسبت، می توان میدان دوقطبی الکتریکی را در یک نقطه دلخواه تعیین کرد تا با خطوط نیروی این میدان تصویری بسازیم.

مهم است که در نظر بگیریم که همه فرمول‌های تعیین پتانسیل و قدرت میدان یک دوقطبی فقط بر اساس حاصلضرب مقادیری که یک بار دوقطبی دارد و فاصله بین آنها عمل می‌کنند.

لحظه دوقطبی

عنوان اثر شرح داده شده شرح کاملی از خواص نوع الکتریکی است. نام آن "لحظه دوقطبی سیستم" است.

با تعریف یک دوقطبی، که سیستمی از بارهای نقطه ای است، می توان دریافت که با وجود تقارن محوری مشخص می شود، زمانی که محور یک خط مستقیم است که از چندین بار عبور می کند.

برای تنظیم مشخصه کامل دوقطبی، جهت جهتی که محور دارد را مشخص کنید. برای سادگی محاسبات، بردار گشتاور دوقطبی را می توان مشخص کرد. مقدار قدر آن برابر با بزرگی گشتاور دوقطبی است و بردار جهت بر حسب انطباق آن و محور دوقطبی متفاوت است. بنابراین، p=qa اگر a جهت بردار است که بارهای منفی و مثبت دوقطبی را به هم وصل می کند.

استفاده از چنین مشخصه ای از دوقطبی راحت است و در اکثر موارد این امکان را فراهم می کند که فرمول را ساده کرده و به آن شکل دهید.بردار شرح پتانسیل میدان دوقطبی در یک نقطه با جهت دلخواه به شکل بردار نوشته شده است.

معرفی مفاهیمی مانند مشخصه برداری یک دوقطبی و گشتاور دوقطبی آن را می توان با استفاده از یک مدل ساده شده انجام داد - یک بار نقطه ای در یک میدان یکنواخت، که شامل سیستمی از بارها است که ابعاد هندسی آن انجام می شود. نباید در نظر گرفته شود، اما دانستن لحظه دوقطبی مهم است. این یک پیش نیاز برای انجام محاسبات است.

چگونگی رفتار یک دوقطبی

رفتار یک دوقطبی را می توان در مثال چنین موقعیتی مشاهده کرد. موقعیت دو بار نقطه ای دارای یک ویژگی ثابت از فاصله نسبت به یکدیگر است. آنها در شرایط دو قطبی میدان الکتریکی یکنواخت قرار گرفتند. مشاهداتی در مورد روند انجام داد. در درس های فیزیک (الکترودینامیک) این مفهوم به تفصیل مورد توجه قرار گرفته است. از میدان تا بار، عمل نیروها انجام می شود:

F=±qE

از نظر قدر مساوی و در جهت مخالف هستند. شاخص کل نیرویی که بر دوقطبی وارد می شود صفر است. از آنجایی که چنین نیرویی بر نقاط مختلف تأثیر می گذارد، گشتاور کل خواهد بود:

M=Fa sin a=qEa sin a=pE sin a

با α زاویه اتصال بردارهای شدت میدان و بردارهای گشتاور دوقطبی است. به دلیل وجود یک گشتاور نیرو، ممان دوقطبی سیستم تمایل به بازگشت به جهت بردار شدت میدان الکتریکی دارد.

دوقطبی الکتریکی مفهومی است که درک واضح آن مهم است. شما می توانید در مورد آن در اینترنت بیشتر بخوانید. همچنین می تواندبرای مطالعه دروس فیزیک در مدرسه در کلاس 10، همانطور که در بالا در مورد آن صحبت کردیم.