مفهوم سطح خارجی در اجسام رسانای باردار :
میدان الکتریکی وحفاظت :
در کتاب فیزیک (3) و آزمایشگاه هیچ تعریف جامعی از سطح خارجی جسم رسانه به عمل نیامده است وبه همین جهت دانش آموزان استنباط های متفاوتی از سطح خارجی جسم رسانا دارند. در اینجا می خواهیم مفهوم سطح داخلی و سطح خارجی جسم رسانا در توزیع بار الکتریکی را توضیح دهیم. قبل از تعریف سطح خارجی در حالت های مختلف این موضوع را با استفاده از شکل های مربوط بررسی می کنیم. دو استوانه فلزی رسانا یکی با دهانه ی گشاد و دیگری با دهانه کوچک (وارتفاع بلند) را روی دو عدد الکتروسکوپ قرار می دهیم بار +q را به درون آنها وارد می کنیم. در هر یک از استوانه ها بعد از تماس بار +q به بدنه استوانه ها، بار الکتریکی موجود در سطح خارجی آنها را مورد بحث قرار می دهیم .
در شکل (1)بار (+q) در سطح داخلی استوانه ، بار(-q') در سطح خارجی آن ، بار (+q') القا می کند وچون هیچ خط نیرویی از استوانه تقریباً خارج نشده است ، پس . و بعد از تماس بار با سطح درونی آن مطابق شکل (2) بار (+q) با بار خنثی شده و بار که برابر با است، در سطح خارجی استوانه باقی می ماند. ودر سطح داخلی آن باری الکتریکی باقی نمی ماند .
در شکل (3) استوانه طوری انتخاب شده است که دهانه آن بزرگ و ارتفاع آن کوچک است و با واردکردن بار +q به درون آن بار را در سطح داخلی و بار را در سطخ بیرونی القا می کند و چون تعدادی از خطوط نیروی الکتریکی از استوانه خارج شده است، پس در سطح درونی جسم رسانا وجود دارد .
اگر استوانه با در بسته انتخاب شود خط های نیرو اصلاً نمی توانند از استوانه خارج شوند و وبعد از تماس، بار القایی با بار گلوله خنثی می شودودر سطح بیرونی استوانه بار (+q) باقی می ماند.
به طور کلی درهر جسم رسانای بار دار به شکل کاواک (یا مشابه آن ) مثل استوانه ای فاراده (که یک استوانه بسیار بلند و با مقطع باریک است ) .دو سطح مجزا وجود دارد یکی سطح داخلی که هیچ توزیع باری دراین سطح وجود ندارد و دیگری سطح خارجی که تمام بار جسم در این سطح توزیع می شود.
پس، سطح داخلی هر جسم رسانا عبارت است از سطحی که بار القایی در آن بعد از تماس با عامل القای بار ،کاملاً خنثی شود وبه اندازه بار القاگر در سطح بیرونی، بار الکتریکی به وجود آید. ورساناهایی از نظر توزیع بار دارای سطح داخلی هستند که ،دهانه ی آنها نسبت به ابعاد جسم بسیار ناچیز باشد.
به طور مثال سطح درونی یک لیوان فلزی معمولی اصولاً نمی تواند از نظر توزیع بار دارای سطح داخلی باشد. بلکه همه نقطه های آن از نظر توزیع بار سطحی خارجی محسوب می شود.
میدان ا لکتریکی داخل یک رسانا؛ حفاظت :
وضعیت زیر را در نظر بگیرید. بلوکی فلزی را در ناحیه ای که قبلاً در آن میدان الکتریکی یکنواخت وجود داشته است ،قرار می دهیم. پرسشی که می خواهیم به آن پاسخ دهیم این است :میدان الکتریکی در داخل این بلوک فلزی چیست ؟
تحت تاثیر میدان الکتریکی خارجی، نیرویی در خلاف جهت به الکترونهای آزاد فلز وارد می آید (چرا در خلاف جهت آن ؟)، بنابراین ،الکترونها تمایل پیدامی کنند که به سمت چپ حرکت کنند (شکل الف ). به این ترتیب، روی سطح سمت چپ بار منفی، وروی سطح سمت راست بار مثبت انباشته می شود. این توزیع باری که میدان خارجی القامی کند، به نوبه خود میدان الکتریکی ایجاد می کند ،و میدان کل در هر نقطه از فضا جمع برداری میدان خارجی E و میدان ناشی از بارهای القایی روی فلز است. چنان که می توان دید، این میدان تمایل دارد که میدان قبلی را در فلز حذف کند؛ در واقع، در فلز عمل حذف کردن کامل است! در غیر این صورت ،اگر در فلزیک میدان خالص E به وجود می آمد، هنوز هم بر بارهای آزاد نیرو وارد می آمد وآنها همچنان مکان خود را تغییر می دادند تا نیروها از بین بروند، یعنی میدان از بین برود. پس می توان نتیجه گرفت که :
میدان الکتروستاتیکی در داخل رساناها همواره صفر است .
اگر یک بار خالص روی جسم واقع شود، فقط می توان روی لایه ی سطحی آن توزیع شود. چون داخل بلوک رسانا بار وجود ندارد، می توان بخشی از ماده را برداشت وحفره ای ایجاد کرد بی آنکه توزیع بار یا میدان الکتریکی به نحوی درجایی تغییر کند. بنابراین، میدان الکتروستاتیکی در ناحیه ای بدون بار آزاد که به یک سطح رسانای بسته محدود می شود همه جا صفر است. بنابراین، نتیجه می توانیم یک شی را صرفا با پوشاندنش در داخل غلافی رسانا مثلاً ورقه آلومینیومی از تاثیر میدان الکتروستاتیکی محافظت کنیم .
حتی لازم نیست که غلاف الکتروستاتیکی به صورت رسانایی یک پارچه شد یک توری سیمی هم کافی است. دیدیم که پوسته رسانا درونه ی آن را از تاثیر میدان های الکتروستاتیکی بیرونی حفاظت می کند.آیا چنین پوسته ای ناحیه بیرونی را از اثر میدان های ناشی از بارهای درون پوسته فلزی حفاظت می کند.
در شکل الف) یک پوسته فلزی کروی را مشاهده می کنید که بارQ در مرکز آن قرار دارد اگر پوسته فلزی وجود نمی داشت یک میدان شعاعی E وجود داشت.
در شکل (ب) میدان های الکتریکی ناشی از این بار و بارهایی که روی سطح پوسته القا می شوند به نحوی اند که در داخل فلز میدان الکتریکی ناشی از این بارها دقیقاً میدان ناشی از بار مرکزی را صفر کند با همه این ها میدان پوسته صفر نیست
در شکل (پ) اگر پوسته را به زمین وصل کنیم ، بار روی سطح بیرونی باقی نمی ماند ومیدان در ناحیه بیرونی صفر می شود.
منابع :مجله رشد
کتاب فیزیک پایه
تالیف: فرانک .ج . بلت
شیرین
