فعالیت ۱-۷ فصل اول فیزیک یازدهم
الف) در شکل شخصی را در داخل یک قفس توری فلزی میبینید که نوعی از قفس فاراده است. در مورد قفس فاراده و کاربردهایش تحقیق و به کلاس گزارش کنید.
ب) چرا معمولاً شخصی که در داخل اتومبیل یا هواپیماست از خطر آذرخش در امان میماند.
پ) با اعضای گروه خود آزمایشی دیگری را طراحی و اجرا کنید که نشان دهد بار اضافی داده شده به رسانا، روی سطح داخلی رسانا توزیع نمیشود.
پاسخ تشریحی و گام به گام فعالیت ۱-۷ فصل اول فیزیک یازدهم
سلام دانشآموزان عزیز! این فعالیت در مورد یکی از جذابترین کاربردهای **الکتریسیته ساکن** و رساناها، یعنی **قفس فاراده** (Faraday Cage) است. 🛡️
### الف) قفس فاراده و کاربردها
**قفس فاراده چیست؟**
**قفس فاراده** محفظهای است که از یک شبکهی فلزی رسانا (مانند توری، سیم یا جعبهی فلزی بسته) تشکیل شده است. این قفس، بر اساس این **اصل اساسی** کار میکند که در یک **رسانای ساکن**، هرگونه **بار الکتریکی اضافی** فقط روی **سطح خارجی** آن توزیع میشود و **میدان الکتریکی خالص در داخل رسانا دقیقاً برابر با صفر است** ($E_{\text{inside}} = ۰$).
**چگونگی عملکرد:**
1. وقتی میدان الکتریکی خارجی (مانند آذرخش یا امواج الکترومغناطیسی) به قفس برخورد میکند، بارهای آزاد موجود در قفس به سرعت جابهجا میشوند.
2. این جابهجایی به گونهای است که یک **میدان الکتریکی داخلی** تولید میکنند که **دقیقاً اثر میدان خارجی را خنثی میکند**.
3. در نتیجه، داخل محفظه از هرگونه نوسان الکتریکی یا برخورد بار الکتریکی محافظت میشود.
**کاربردها:**
* **محافظت از تجهیزات حساس:** برای محافظت از وسایل الکترونیکی حساس (مانند کامپیوترها یا تجهیزات پزشکی) از امواج الکترومغناطیسی یا تداخلات رادیویی.
* **ساخت اتاقهای محافظت شده (Shielded Rooms):** در آزمایشگاهها برای جلوگیری از نفوذ سیگنالهای خارجی در حین اندازهگیریهای دقیق.
* **حفاظت در برابر آذرخش:** (که در قسمت ب توضیح داده شده است).
---
### ب) محافظت در برابر آذرخش در خودرو و هواپیما
* **اتومبیل و هواپیما** بدنهای **فلزی** و **رسانا** دارند و میتوان آنها را به عنوان **قفس فارادههای در حال حرکت** در نظر گرفت.
* وقتی آذرخش (که یک جریان الکتریکی بسیار قوی است) به بدنهی فلزی برخورد میکند، بارهای الکتریکی عظیم آن **به سرعت روی سطح خارجی رسانا** توزیع میشوند و از طریق بدنه به اطراف دفع میگردند.
* همانطور که در اصل قفس فاراده گفته شد، **میدان الکتریکی خالص در داخل** بدنه صفر باقی میماند و جریانی وارد کابین نمیشود. به همین دلیل، سرنشینان داخل از خطر برقگرفتگی در امان میمانند.
---
### پ) طراحی آزمایش برای عدم توزیع بار در سطح داخلی
**هدف آزمایش:** اثبات $\mathbf{E_{\text{inside}} = ۰}$ برای یک رسانای باردار.
**لوازم مورد نیاز:**
1. یک قوطی فلزی خالی (به عنوان رسانای محفظه، مثلاً قوطی کنسرو بزرگ).
2. یک **کاشف الکتریکی حساس** (مانلاً الکتروسکوپ یا الکتروسکوپ دستساز با ورق آلومینیومی) یا یک **الکترومتر**.
3. یک منبع بار الکتریکی (مانند یک میله پلاستیکی که با پشم مالش داده شده یا مولد واندوگراف).
**مراحل اجرا:**
1. **باردار کردن قوطی:** قوطی فلزی را به صورت موقت با یک میلهی باردار تماس دهید تا مقداری **بار اضافی** روی سطح خارجی آن توزیع شود.
2. **آزمایش سطح خارجی:** با استفاده از کاشف الکتریکی یا الکترومتر، به **سطح خارجی** قوطی نزدیک شوید. مشاهده میکنید که کاشف الکتریکی **منحرف** میشود، که نشاندهندهی وجود بار و میدان الکتریکی در سطح خارجی است.
3. **آزمایش سطح داخلی:** کاشف الکتریکی را به **سطح داخلی** قوطی یا درون آن نزدیک کنید (دقت کنید که کاشف با دیواره تماس پیدا نکند).
4. **مشاهده:** مشاهده میکنید که کاشف الکتریکی **هیچ انحرافی** نشان نمیدهد (یا انحراف بسیار ناچیزی دارد).
**نتیجهگیری:** این آزمایش ثابت میکند که حتی پس از اعمال بار، **میدان الکتریکی** در داخل محفظهی فلزی (رسانا) **صفر** است و تمام بارهای اضافی روی **سطح خارجی** قوطی انباشته شدهاند. ⚡
