الإجابة الصحيحة (صح)

هذه العبارة تصف بدقة نتيجة عملية شحن موصل واحد بالحث الكهربائي.

خطوات العملية (مثلاً، شحن موصل بشحنة سالبة باستخدام قضيب موجب):

1. نقرب قضيباً موجب الشحنة من الموصل المتعادل، فتنجذب الإلكترونات الحرة في الموصل نحو الطرف القريب من القضيب، تاركة الطرف البعيد بشحنة موجبة مؤقتة.
2. نوصل الطرف البعيد للموصل بالأرض (عن طريق اللمس مثلاً). فتصعد الإلكترونات من الأرض لتُعادل الشحنة الموجبة في الطرف البعيد.
3. نقطع الاتصال بالأرض أولاً (مع إبقاء القضيب الموجب في مكانه). الآن أصبح الموصل يمتلك فائضاً من الإلكترونات.
4. نبعد القضيب الموجب، فتتوزع الإلكترونات الزائدة (الشحنة السالبة) بانتظام على سطح الموصل.

النتيجة: شحن الموصل بشحنة سالبة (عكس شحنة القضيب المؤثر الموجبة).

(الوحدة الأولى: الكهرباء الإستاتيكية، 1-2: شحن الموصلات الكهربائية بالحث الكهربائي، صفحة 16)

الإجابة الصحيحة (صح)

العلاقة بين الشحنة الكلية ($Q$) وعدد الإلكترونات ($n$) وشحنة الإلكترون الواحد ($e$) هي:

$$ Q = n \times e $$

لحساب عدد الإلكترونات ($n$) اللازمة لتكوين شحنة مقدارها $1$ كولوم ($Q=1 \, \mathrm{C}$):

$$ n = \frac{Q}{e} = \frac{1 \, \mathrm{C}}{1.6 \times 10^{-19} \, \mathrm{C}} = 6.25 \times 10^{18} \, \mathrm{electron} $$

الرقم يتطابق مع القيمة المذكورة في السؤال، فالعبارة صحيحة. هذا يوضح أن الكولوم هو وحدة شحنة كبيرة جداً مقارنة بشحنة الإلكترون.

(الوحدة الأولى: الكهرباء الإستاتيكية، 1-1: قياس الشحنة الكهربائية، صفحة 13)

الإجابة الصحيحة (توصيله بالأرض)

توصيل جسم موصل مشحون بالأرض (Earthing أو Grounding) هو الطريقة الأكثر فعالية وسرعة لتفريغ شحنته.

• لماذا؟لأن الأرض تعتبر مستودعاً هائلاً للشحنات الكهربائية.
  • إذا كان الموصل مشحوناً بشحنة سالبة (فائض إلكترونات)، فإن توصيله بالأرض يوفر مساراً لهذه الإلكترونات الزائدة لتنساب إلى الأرض حتى يتعادل الموصل.
  • إذا كان الموصل مشحوناً بشحنة موجبة (عجز إلكترونات)، فإن توصيله بالأرض يوفر مساراً للإلكترونات لتنساب من الأرض إلى الموصل حتى تعادله.

تحليل الخيارات الأخرى:

• تسخينه:يمكن أن يفرغ شحنة العازل بتأيين الهواء حوله، لكنها ليست الطريقة المثلى للموصلات.
• مكان رطب:بخار الماء في الهواء يساعد على تسريب الشحنة ببطء، وليس بسرعة.
• توصيله بموصل آخر:ستتوزع الشحنة بين الموصلين ولن يتم تفريغها بالكامل إلا إذا كان الموصل الآخر هو الأرض.

(الوحدة الأولى: الكهرباء الإستاتيكية، 1-2: معادلة العوازل والموصلات المشحونة كهربائياً، صفحة 14)

الإجابة الصحيحة ($40 \, \mathrm{mm}$)

قانون كولوم يعطى بالعلاقة: $$ F = K \frac{Q_1 Q_2}{r^2} $$

ثابت كولوم $K$ يعتمد على سماحية الوسط $\epsilon$. في الفراغ $K_0 = 9 \times 10^9 \, \mathrm{N \cdot m^2/C^2}$. في الماء، السماحية $\epsilon = 80 \epsilon_0$، وبالتالي فإن الثابت $K_{\mathrm{water}} = \frac{K_0}{80}$.

$$ K_{\mathrm{water}} = \frac{9 \times 10^9}{80} $$

نعيد ترتيب قانون كولوم لحساب المسافة $r$:

$$ r^2 = K_{\mathrm{water}} \frac{Q_1 Q_2}{F} = \frac{9 \times 10^9}{80} \times \frac{(8.4 \times 10^{-9})^2}{5 \times 10^{-6}} $$

$$ r^2 = \frac{9 \times 10^9 \times 70.56 \times 10^{-18}}{80 \times 5 \times 10^{-6}} = \frac{635.04 \times 10^{-9}}{400 \times 10^{-6}} \approx 1.588 \times 10^{-3} \, \mathrm{m}^2 $$

$$ r = \sqrt{1.588 \times 10^{-3}} \approx 0.0398 \, \mathrm{m} \approx 40 \, \mathrm{mm} $$

(الوحدة الأولى: الكهرباء الإستاتيكية، 1-4: قانون كولوم، صفحة 19-20)