שאלה לגבי מוליך טעון

מנהל: gedalin

שלח תגובה
mlstudy
הודעות: 354
הצטרף: 12:53 02/12/2009

שאלה לגבי מוליך טעון

שליחה על ידי mlstudy » 23:45 09/03/2010

ערב טוב,

יש לי שאלה לגבי שדה חשמלי במוליך טעון. אומרים שהוא 0. הנימוק הוא שאם הוא לא היה 0, אז המטענים בתוכו
היו זזים. אם כל המטענים במנוחה אז כנראה שהשדה הוא 0.

אבל זה לא מדוייק. זה שכל המטענים במנוחה אומר שהכוח הכולל שפועל עליהם הוא 0, ומי אמר שהכוח היחיד
שפועל הוא הכוח החשמלי?
אולי יש כוח פנימי כלשהו (תת מולקולרי) שמחזיק את המטענים ולא נותן להם לנוע עקב השפעה של השדה החשמלי.
אחרי הכל, בדיוק באותה הדרך, ניתן להוכיח שכל המטען שיש במוליך (כולל בשפה של המוליך)
הוא 0 (לקחת משטח גאוסי שמכסה את כל המוליך, להגיד ששום דבר לא זז בתוכו, ולכן השדה החשמלי בתוכו הוא 0).
זה דבר אחד.
דבר שני, אולי המטענים בתוך המוליך לא נעים, לא בגלל שאין בתוכו שדה, אלא כי פשוט נגמרו בתוכו כל המטענים החופשיים!
אולי כל המטענים החופשיים "עברו" לקצוות של המוליך, ולא נותר שום מטען "בוחן" שירגיש את השדה החשמלי במוליך.

gedalin
הודעות: 1535
הצטרף: 18:16 12/04/2007

Re: שאלה לגבי מוליך טעון

שליחה על ידי gedalin » 19:15 10/03/2010

מוליך הינו חומר שבו מטענים נעים בחופשיות, ז"א אין כוחות מולקולריים או אחרים שיכולים להחזיק מטען במקום. לכן הכוח היחיד הינו כוח חשמלי בגלל שדה חשמלי. כאשר זה לא כך, החומר מפסיק להיות מוליך. שימו לב: יש כוחות שלא נותנים למטענים לצאת מהגוף. לכן המטען יכול להיווצר על השפה אבל לא בפנים.
עקרונית, יכול להיות שכל החלקיקים הטעונים שיכולים לנוע באופן חופשי יצטברו בשפה וישאירו את המוליך ללא מטענים חופשיים בפנים, ובכל זאת השדה עדיין לא יתאפס. מה צריך להיות השדה המופעל כדי שזה יקרה במצב רגיל כאשר ישנם כ \(10^{20}\) אלקטרונים בסמ"ק ? 

mlstudy
הודעות: 354
הצטרף: 12:53 02/12/2009

Re: שאלה לגבי מוליך טעון

שליחה על ידי mlstudy » 22:35 10/03/2010

האמת.. למה שבכלל נצטרך להפעיל שדה חשמלי חיצוני כדי שזה יקרה?
הרי מטענים זהים דוחים זה את זה.
הם ימשיכו לדחות אחד את השני, וכך ימשיכו לנוע, עד שיתקלו ב"קצוות" המוליך, שמעבר אליו הם לא יוכלו להמשיך.

דרך אגב, לפי מה שידוע לי, רק האלקטרונים החופשיים נעים במוליך (לא כל האלקטרונים).

לגבי האלקטרונים שנקשרו לפרוטונים, הם מהווים דיפול חשמלי, שעליו לא חייב לפעול כוח גם בנוכחות שדה.
(וגם אם פועל כוח, אין איזה כוח נוסף שמחזיק את הפרוטונים במקום?)

gedalin
הודעות: 1535
הצטרף: 18:16 12/04/2007

Re: שאלה לגבי מוליך טעון

שליחה על ידי gedalin » 22:54 11/03/2010

דמיין ים של פרוטונים כבדים שלא יכולים לזוז, ואלקטרונים קלים ונעים בחופשיות. אם אלקטרונים זזים ממקומם, נוצר עודף של םרוטונים אשר מושכים את האלקטרונים חזרה. ללא פרוטונים כל האלקטרונים היו בורחים לשפה. בגלל הפרוטונים הם לא יכולים לעשות כן ולהשאיר פרוטונים לא מנוטרלים.
כל הכוחות בין חלקיקי החומר, בין אטומים ומולקולות, הם כוחות חשמליים.
על דיפול חשמלי פועל כוח בשדה חשמלי אם השדה אינו אחיד.

mlstudy
הודעות: 354
הצטרף: 12:53 02/12/2009

Re: שאלה לגבי מוליך טעון

שליחה על ידי mlstudy » 09:58 12/03/2010

ועכשיו נניח שהחומר שלנו טעון,
כלומר יש בו יותר אלקטרונים מפרוטונים.
נניח שיש ב1000 יותר אלקטרונים מפרוטונים.
כל הפרוטונים מנוטרלים, ונשארו עוד 1000 אלקטרונים שלא מצאו לעצמם "זוג".
כל ה"זוגות" שנוצרו מפעילים שדה חשמלי זניח.
נשארו רק ה1000 אלקטרונים שכן מפעילים שדה חשמלי אחד על השני.
הם יתחילו להידחה, עד שכולם יגיעו לשפת המוליך.
במצב כזה: ייתכן ויהיה שדה חשמלי בתוך המוליך, פשוט אין שום אלקטרון חופשי שירגיש אותו,
וכל שאר האלקטרונים הלא חופשיים - הם כן מרגישים אותו, אבל הם נמשכים ע"י הפרוטונים, ולכן
השדה החיצוני (שנוצר ע"י הקליפה החיצונית הטעונה) כמעט לא משפיע עליהם.
הפרוטונים, איך שאמרת, "כבדים מדי" בשביל לזוז ממקומם.

מה רע בתאוריה כזאת?

gedalin
הודעות: 1535
הצטרף: 18:16 12/04/2007

Re: שאלה לגבי מוליך טעון

שליחה על ידי gedalin » 10:25 12/03/2010

אין שום דבר רע, הכל נכון. אם טוענים מוליך אז כל המטען על השפה. ואם יש לך רק מספר קטן של אלקטרונים חופשיים אז יכול להיות שהם יברחו כולם לשפה ועדיין לא יוכלו לאפס את השדה בפנים. הבעיה היחידה שלא קוראים לחומרים כאלה מוליכים בדרך כלל. קבל את זה כחלק מהגדרה: במוליך יש מספיק מטענים חופשיים ואלה שזיזים לשפה מהווים רק חלק קטן בהמספר הכולל.
בנוסף, אני ממליץ שתתחיל לחשוב במונכים של שדה חשמלי: לא "מטענים יידחו" אלא "ייצרו שדה חשמלי אשר יזיז". הפעולה החשמלית איננה ישירה אלא דרך השדה: מטענים יוצרים שדה והשדה גורם לכוח על מטענים.

mlstudy
הודעות: 354
הצטרף: 12:53 02/12/2009

Re: שאלה לגבי מוליך טעון

שליחה על ידי mlstudy » 12:19 12/03/2010

אבל אם זה כך, ורוב המטענים החופשיים לא נמצאים על השפה,

אז זה בסתירה לעובדה שכל המטען שבמוליך נמצא בשפה שלו (שנובע מחוק גאוס).

gedalin
הודעות: 1535
הצטרף: 18:16 12/04/2007

Re: שאלה לגבי מוליך טעון

שליחה על ידי gedalin » 12:26 12/03/2010

לא חשבת טוב. משמעות הטענה שאין מטען בפנים: בכל נפח קטן בפנים תמצא אותו מספר של אלקטרונים ופרוטונים (הנפח הקטן חייב להיות מספיק גדול כדי לכלול מספר גדול של חלקיקים - למה ?). רק בשפה יכול להיות עודף אלקטרונים או פרוטונים. רק אלקטרונים יכולים לזז בחופשיות ופרוטונים מקובעים במקומם.

mlstudy
הודעות: 354
הצטרף: 12:53 02/12/2009

Re: שאלה לגבי מוליך טעון

שליחה על ידי mlstudy » 15:01 12/03/2010

אולי אני לא מבין כל כך טוב את הנושא..
איך שהבנתי, במוליך יש אלקטרונים חופשיים שלא קשורים לשום פרוטון, ובגלל זה יכולים לנוע עקב השפעה של שדה חשמלי חיצוני,
ויש אלקטרונים לא חופשיים, כך שכל אלקטרון קשור לפרוטון, ולכן גם אם יופעל עליו שדה חשמלי חיצוני, הוא לא יעזוב את הפרוטון
שלו.
אלקטרון (לא חופשי) שקשור לפרוטון - יוצרים ביחד "יחידה ניטרלית" שכמעט לא מושפעת/משפיעה על הסביבה שלה מבחינה חשמלית.
ולכן אם המוליך מכיל מטען, זה רק בגלל שיש לו עודף אלקטרונים, ולכן חלקם לא קשורים לפרוטונים, או שיש לו מחסור באלקטרונים, ואז יש
פרוטונים שאין להם זוגות.

אם בכל נפח קטן יש מספר שווה של אלקטרונים ופרוטונים, אז כנראה שאלה אלקטרונים לא חופשיים, שקשורים לאותם פרוטונים.
אבל אם זה כך, אז גם אם היה שדה חשמלי בנפח הקטן הזה, אותם אלקטרונים לא חופשיים, כמעט ולא היו מושפעים ממנו
עקב משיכתם לפרוטונים.

אם יש בנפח הקטן הזה גם אלקטרונים חופשיים, אז זה אומר שיש גם "פרוטונים" ללא זוג (כאמור יש כמות זהה של פרוטונים ואלקטרונים), ולכן פרוטונים אלו
ימשכו אליהם את האלקטרונים החופשיים, ואז הם יהפכו מ"אלקטרונים חופשיים" ל"אלקטרונים לא חופשיים", ואז שוב, הם לא ירגישו כמעט השפעה של שדה
חשמלי חיצוני.

כך או כך, או שיש בתוכו אלקטרונים חופשיים - ואז המטען שם הוא לא אפס, או שאין בתוכו אלקטרונים חופשיים, ואז לא חובה שהשדה בתוכו יתאפס.

gedalin
הודעות: 1535
הצטרף: 18:16 12/04/2007

Re: שאלה לגבי מוליך טעון

שליחה על ידי gedalin » 22:48 13/03/2010

במוליך (רגיל, כמו כסף) יש גרעינים (מורכבים מפרוטונים ונויטרונים - לאחרונים אין מטען), אשר בונים מבנה של החומר, ואלקטרונים. חלק מהאלקטרונים קשורים לגרעינים "משלהם" ולחלק עובר ל"רכוש משותף" של כל הגרעינים ביחד. אלה הם אלקטרונים חופשיים. מכיוון שאלקטרונים אלה היו במקור באטומים ניטרליים והפכו למשותפים כאשר האטומים התאגדו למוליך, מספר הפרוטונים שווה למספר כל האלקטרונים, קשורים וחופשיים ביחד, במוליך לא טעון. ניטרליות מקויימת ע"י כל הפרוטנים וכל האלקטרונים. כאשר טוענים מוליך, מוסיפים לו אלקטרונים חופשיים (מכיוון שאי-אפשר להוסיף אלקטרון קשור - כל המקומות תפוסים) או לוקחים ממנו אלקטרונים חופשיים (מכיוון שאי-אפשר להוציא בקלות אלקטרון קשור, ואם יש אלקטרונים חופשיים אז יוצאים דווקא הם). בגלל זה אפשר לא להתייחס בכלל לאלקטרונים קשורים בתוך מוליך.
בכל נפח קטן מספר הפרוטונים= מספר אלקטרונים קשורים+מספר אלקטרונים חופשיים. ההסבר, למה גרעינים לא מושכים אליהם כל האלקטרונים ולא הופכים אותם לקשורים, ניתן בפיסיקה קוונטית, אבל אנסה להסביר את זה. דמיין כל גרעין כבור: אלקטרון קשור נמצא בתוך הבור ולא יכול להתרחק מהגרעין. תכונות האלקטרונים כאלה (זאת תכונה קוונטית שאין לה מקבילה בפיסיקה קלסית) שאי אפשר להכניס שניים עם אותה אנרגיה: אם הראשון נמצא בתחתית הבור, לשני צריכה להיות אנרגיה קינטית מסויימת, לשלישי - גדולה יותר וכן הלאה. אלקטרון עם אנרגיה גדולה מדי לא נשאר בבור אלא יוצא לחופשי. כך בנוי אטום. באטום בודד הבור מספיק עמוק כדי להכיל מספר האלקטרונים השווה למספר הפרוטונים. כאשר מחברים מספר גדול של אטומים ביחד עומק הבור בפועל יכול לקטון (דמיין שני בורות שמקרבים זה לזה עד כדי כך שהם חופפים קצת). אז האלקטרונים עם האנרגיות הגבוהות ביותר שהיו עד כה בתוך האטומים, יוצאים לחופשי. מקווה שזה עוזר.  

mlstudy
הודעות: 354
הצטרף: 12:53 02/12/2009

Re: שאלה לגבי מוליך טעון

שליחה על ידי mlstudy » 20:13 14/03/2010

הבנתי, תודה!

ilansc
הודעות: 82
הצטרף: 21:05 23/11/2009

Re: שאלה לגבי מוליך טעון

שליחה על ידי ilansc » 07:20 18/03/2010

וכשהוא לא טעון האם עדיין יש אלקטרונים לא קשורים\חופשיים?

gedalin
הודעות: 1535
הצטרף: 18:16 12/04/2007

Re: שאלה לגבי מוליך טעון

שליחה על ידי gedalin » 13:08 18/03/2010

כן. מוליך זה חומר שבו חלק מהלקטרונים חופשיים. טעינה רק מוסיפה או מורידה מקצת מהאלטרונים האלה.

שלח תגובה

חזור אל “- פיסיקה 2 לסטודנטים של פיסיקה”