نشاط عن العازل و حل اسئلة – فيزياء السادس العلمي

سؤال النشاط :

س/ اشرح تجربة تبيّن تأثير إدخال العازل بين لوحي متسعة مشحونة ومعزولة عن البطارية في مقدار فرق الجهد وسعة المتسعة؟ (تجربة فاراداي)

الجواب:

تجربة فاراداي لتأثير العازل على المتسعة:

1. نحضر متسعة ذات لوحين متوازيين ونشحنها ببطارية، ثم نفصل البطارية عنها بحيث تبقى الشحنة ثابتة.
2. نقيس فرق الجهد بين لوحي المتسعة باستخدام جهاز الفولتميتر، ونسجل القيمة الأولى.
3. نُدخل عازلًا كهربائيًا بين لوحي المتسعة بعناية دون لمس اللوحين أو تغيير المسافة.
4. نلاحظ أن فرق الجهد يقل بعد إدخال العازل.
5. وبما أن الشحنة ثابتة (لأن البطارية مفصولة)، فإن نقصان فرق الجهد يؤدي إلى زيادة سعة المتسعة وفق العلاقة:

$$C = \frac{Q}{V}$$

الاستنتاج:

• عند إدخال العازل الكهربائي بين لوحي متسعة مشحونة ومعزولة عن البطارية:
  • يبقى مقدار الشحنة ثابتًا.
  • يقل فرق الجهد.
  • تزداد السعة.

وهذا يثبت أن وجود العازل يزيد من سعة المتسعة بسبب تقليله لشدة المجال الكهربائي بين اللوحين.

اسئلة الفيديو

السؤال 1:

اذكر حالتين عمليتين تتحققتا عند إدخال عازل كهربائي بين لوحي المتسعة بدلاً من الهواء؟

الجواب:

1. زيادة سعة المتسعة.
2. نقصان فرق الجهد بين لوحي المتسعة إذا كانت معزولة عن المصدر.

السؤال 2:

علل: يحدّد العامل مقدار فرق الجهد الذي تتحمله المتسعة؟

الجواب: لأن مقدار فرق الجهد الأقصى الذي يمكن أن تتحمله المتسعة قبل أن يحدث انهيار كهربائي (تفريغ كهربائي خلال العازل) يتوقف على قوة العزل الكهربائي للمادة العازلة بين اللوحين.

السؤال 3:

ما تفسر زيادة سعة المتسعة المشحونة والمعزولة عن المصدر بإدخال عازل بين صفيحتها؟

الجواب: عند إدخال العازل، يحدث استقطاب في المادة العازلة، فيقل المجال الكهربائي الداخلي، مما يؤدي إلى نقصان فرق الجهد بين اللوحين، وبالتالي وبثبوت الشحنة، تزداد السعة.

السؤال 4:

ما المقصود بقوة العزل الكهربائي؟

الجواب: قوة العزل الكهربائي هي أقصى مقدار لفرق الجهد يمكن أن تتحمله المادة العازلة قبل أن تنفذ منها الشحنة (أي قبل حدوث انهيار كهربائي).
تقاس بوحدة: فولت/متر (V/m).

التعليل

✅ السؤال 1: اذكر حالتين عمليتين تتحققتا عند إدخال عازل كهربائي بين لوحي المتسعة بدلاً من الهواء؟

الجواب المشروح:

1. زيادة سعة المتسعة:
   عندما نضع عازلًا بين لوحي المتسعة بدلاً من الهواء، فإن المادة العازلة تمتلك خاصية تُعرف بـ”السماحية النسبية” (εᵣ)، وهي أعلى من سماحية الهواء. هذا يؤدي إلى زيادة السعة لأن العلاقة:

   $$C = \varepsilon_r \cdot \varepsilon_0 \cdot \frac{A}{d}$$توضح أن السعة تزداد طرديًا مع السماحية النسبية.

2. نقصان فرق الجهد (إذا كانت المتسعة معزولة عن المصدر):
   عندما تكون المتسعة مشحونة ومعزولة (أي لا تزال تحتفظ بشحنتها)، ثم نُدخل العازل، فإن المجال الكهربائي بين اللوحين يقل. ولأن فرق الجهد مرتبط بالمجال الكهربائي، فإن فرق الجهد يقل، مما يعني أن السعة تزداد (لأن الشحنة ثابتة).

✅ السؤال 2: علل يحدد العامل مقدار فرق الجهد الذي تتحمله المتسعة؟

الجواب المشروح:

كل مادة عازلة لها حد أعلى من فرق الجهد يمكنها أن تتحمله قبل أن تفقد خواصها العازلة، وتسمح بمرور التيار، وهذا يُسمى الانهيار الكهربائي.
هذا الحد يُعرف بـ قوة العزل الكهربائي، فإذا تجاوز الجهد هذا الحد، يحترق العازل أو يتلف.
لهذا السبب، يجب اختيار نوع العازل بدقة، خاصة في التطبيقات ذات الجهد العالي، لتجنب حدوث شرارة أو تلف المتسعة.

✅ السؤال 3: ما تفسر زيادة سعة المتسعة المشحونة والمعزولة عن المصدر عند إدخال عازل بين صفيحتها؟

الجواب المشروح:

عند إدخال العازل بين لوحي متسعة مشحونة ومعزولة (أي لم تعد متصلة بالبطارية)، فإن الشحنة الكلية تبقى ثابتة.
لكن العازل يعمل على استقطاب جزيئاته في الاتجاه المعاكس للمجال الكهربائي الأصلي، مما يقلل من شدة المجال الكهربائي داخل المتسعة.
بما أن فرق الجهد يعتمد على المجال الكهربائي (V = Ed)، فإن تقليل المجال يقلل فرق الجهد.

ولأن السعة تُحسب من:

$$C = \frac{Q}{V}$$

فإذا بقيت الشحنة ثابتة وقل الجهد، فإن السعة تزداد تلقائيًا.

✅ السؤال 4: ما المقصود بقوة العزل الكهربائي؟

الجواب المشروح:

قوة العزل الكهربائي هي الحد الأقصى من فرق الجهد الذي تستطيع المادة العازلة أن تتحمله لكل وحدة طول (عادة متر)، دون أن تنهار وتسمح بمرور التيار.

تقاس بوحدة:

$$\text{فولت/متر (V/m)}$$

مثال:
إذا كانت مادة عازلة تتحمل 3 × 10⁶ فولت/متر، فهذا يعني أن كل متر من هذه المادة يستطيع عزل حتى 3 ملايين فولت.
إذا زاد الجهد عن ذلك، تتحول المادة من عازل إلى موصل (يحصل تفريغ كهربائي أو انهيار).