Fislab
الرئيسية / الدروس / المجال الكهربائي لكرة مصمتة بإستخدام قانون جاوس

⚡ المجال الكهربائي لكرة مصمتة بإستخدام قانون جاوس

Electric Field of a Solid Sphere Using Gauss's Law
⏱️ 90 دقيقة 📂 الكهرباء 🎯 مستوى متوسط

🎯 نواتج التعلم

🎯 Learning Outcomes

بعد دراسة هذا الدرس ستكون قادرًا على أن:

After this lesson you will be able to:

  1. تجري تجربة لقياس المجال داخل كرة مشحونة وخارجها، وتستنتج علاقته بالمسافة.Carry out an experiment measuring the field inside and outside a charged sphere and deduce its dependence on distance.
  2. تحسب التدفق الكهربائي عبر سطح مغلق، وتستنتج قانون جاوس من التجربة.Calculate the electric flux through a closed surface, and deduce Gauss's law from the experiment.
  3. تطبّق قانون جاوس لحساب المجال والتدفق عند نقاط مختلفة من الكرة.Apply Gauss's law to find the field and flux at different points of the sphere.

⚡ الكرة المصمتة المشحونة

⚡ The Charged Solid Sphere

كرة مصمتة نصف قطرها \(R\) تحمل شحنة \(Q\) موزعة بانتظام في حجمها. بسبب تماثلها الكروي يكون المجال شعاعيًا، ويعتمد على المسافة \(r\) من المركز فقط.

A solid sphere of radius \(R\) carries charge \(Q\) uniformly distributed in its volume. By spherical symmetry the field is radial and depends only on the distance \(r\) from the centre.

🔹 اختيار سطح جاوس

🔹 Choosing a Gaussian surface

نختار سطحًا كرويًا وهميًا، مركزه مركز الكرة، يسمى سطح جاوس. يكون المجال عموديًا على هذا السطح في كل نقطة، وثابتًا في مقداره، فنحسب التدفق بسهولة: \(\Phi=E\cdot 4\pi r^2\).

We choose an imaginary spherical surface centred on the sphere's centre, called a Gaussian surface. The field is perpendicular to it everywhere with constant magnitude, so the flux is simply \(\Phi=E\cdot 4\pi r^2\).


🧪 تجربة 1: المجال عند مسافات مختلفة

🧪 Experiment 1: the field at different distances

ما الذي يحدث للمجال عندما نبتعد عن الكرة؟ هل يتغير بالطريقة نفسها داخلها وخارجها؟ نجيب بالتجربة.

What happens to the field as we move away from the sphere? Does it change the same way inside and outside? We answer by experiment.

🧪 تجربة 1: المجال الكهربائي عند مسافات مختلفة

🧪 Experiment 1: the field at different distances

الهدف: نقيس المجال الكهربائي عند مسافات مختلفة من مركز كرة مشحونة، لنستنتج كيف يتغير المجال داخلها وخارجها.

Goal: Measure the field at different distances from the centre of a charged sphere, to find how it changes inside and outside.

خطوات التجربة
  1. اضبط الشحنة Q ثابتة (مثلًا 5 nC)، واختر المنطقة «خارج الكرة».Keep the charge Q fixed (e.g. 5 nC) and choose the region “outside the sphere”.
  2. حرّك المسبار إلى مسافة r، واقرأ المجال E، ثم اضغط «سجّل القراءة».Move the probe to a distance r, read the field E, and press “Record”.
  3. كرر من 5 إلى 6 مسافات مختلفة خارج الكرة، ولاحظ الخط البياني.Repeat for 5 to 6 different distances outside the sphere and look at the graph.
  4. غيّر المنطقة إلى «داخل الكرة» وكرر القياسات، ثم قارن الشكلين.Switch the region to “inside the sphere”, repeat, and compare the two shapes.
Procedure
  1. Keep the charge Q fixed (e.g. 5 nC) and choose the region “outside the sphere”.
  2. Move the probe to a distance r, read the field E, and press “Record”.
  3. Repeat for 5 to 6 different distances outside the sphere and look at the graph.
  4. Switch the region to “inside the sphere”, repeat, and compare the two shapes.
5
0.2
r (m)E (N/C)
المجال E (N/C)Field E (N/C)—

📌 المجال داخل الكرة وخارجها (من التجربة 1)

📌 The field inside and outside the sphere (from Experiment 1)

\[E=\frac{kQ\,r}{R^3}\ \ (rR)\qquad k=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\approx 8.99\times10^9\]

الاستنتاج: داخل الكرة يتناسب المجال طرديًا مع المسافة \(r\) (لأن جزءًا من الشحنة فقط محصور داخل سطح نصف قطره \(r\))، وخارجها يتناسب عكسيًا مع \(r^2\) كأن الشحنة كلها في المركز. وعند السطح \(E=kQ/R^2\).
Conclusion: inside the sphere the field is proportional to \(r\) (only part of the charge lies within radius \(r\)); outside, it falls as \(1/r^2\), as if all the charge were at the centre. At the surface \(E=kQ/R^2\).
❓ مثال 1Example 1

كرة مصمتة نصف قطرها \(R=10\,cm\) وشحنتها \(Q=5\,nC\) موزعة بانتظام. احسب المجال عند \(r=5\,cm\) (داخل الكرة).

A solid sphere of radius \(R=10\,cm\) carries \(Q=5\,nC\), uniformly distributed. Find the field at \(r=5\,cm\) (inside).

الحل
\[E=\frac{kQr}{R^3}=\frac{8.99\times10^9\times5\times10^{-9}\times0.05}{(0.1)^3}\]
\[E\approx 2.25\times10^{3}\,N/C\]
✅ \(E\approx 2.25\times10^3\,N/C\)
Solution
\[E=\frac{kQr}{R^3}=\frac{8.99\times10^9\times5\times10^{-9}\times0.05}{(0.1)^3}\]
\[E\approx 2.25\times10^{3}\,N/C\]
✅ \(E\approx 2.25\times10^3\,N/C\)
❓ مثال 2Example 2

نفس الكرة السابقة. احسب المجال عند \(r=20\,cm\) (خارج الكرة).

Same sphere. Find the field at \(r=20\,cm\) (outside).

الحل
\[E=\frac{kQ}{r^2}=\frac{8.99\times10^9\times5\times10^{-9}}{(0.2)^2}\]
\[E\approx 1.12\times10^{3}\,N/C\]
✅ \(E\approx 1.12\times10^3\,N/C\)
Solution
\[E=\frac{kQ}{r^2}=\frac{8.99\times10^9\times5\times10^{-9}}{(0.2)^2}\]
\[E\approx 1.12\times10^{3}\,N/C\]
✅ \(E\approx 1.12\times10^3\,N/C\)
⭐ 1

التدفق الكهربائي عبر سطح مغلق يعتمد على:

The electric flux through a closed surface depends on:

Aالشحنة المحصورة داخله فقطOnly the enclosed charge
Bحجم السطحThe size of the surface
Cشكل السطحThe shape of the surface
Dمساحة السطح فقطThe area of the surface only
الحل
✅ الشحنة المحصورة داخله فقط
Solution
✅ Only the enclosed charge
⭐ 2

المجال الكهربائي عند مركز كرة مصمتة مشحونة بانتظام يساوي:

The field at the centre of a uniformly charged solid sphere equals:

AصفرًاZero
BkQ/R²kQ/R²
CkQ/RkQ/R
Dلا نهايةInfinity
الحل
✅ صفرًا
Solution
✅ Zero
⭐ 3

داخل كرة مصمتة مشحونة بانتظام، المجال يتناسب مع المسافة r:

Inside a uniformly charged solid sphere, the field is proportional to the distance r:

AطرديًاDirectly
BعكسيًاInversely
Cعكسيًا مع r²Inversely with r²
Dلا يتغيرIt does not change
الحل
✅ طرديًا
Solution
✅ Directly
⭐ 4

خارج الكرة المشحونة، المجال يتناسب مع:

Outside the charged sphere, the field is proportional to:

A1/r²1/r²
Brr
Cr²r²
D1/r1/r
الحل
✅ 1/r²
Solution
✅ 1/r²

🧪 تجربة 2: التدفق عبر سطح جاوس

🧪 Experiment 2: flux through a Gaussian surface

نحسب التدفق عبر أسطح كروية وهمية مختلفة الأنصاف، ونبحث عما يحدد قيمته.

We compute the flux through imaginary spheres of different radii and look for what determines its value.

🧪 تجربة 2: التدفق عبر سطح جاوس

🧪 Experiment 2: flux through a Gaussian surface

الهدف: نحسب التدفق الكهربائي عبر كرات وهمية (أسطح جاوس) بأنصاف أقطار مختلفة، ونرى ما الذي يحدد التدفق.

Goal: Compute the electric flux through imaginary spheres (Gaussian surfaces) of different radii, and see what determines the flux.

خطوات التجربة
  1. اضبط الشحنة Q (مثلًا 5 nC)، ثم اختر نصف قطر سطح جاوس r أصغر من R، واضغط «سجّل القراءة».Set Q (e.g. 5 nC), choose a Gaussian radius r smaller than R, and press “Record”.
  2. كرر باختيار أنصاف أقطار أكبر من R، ولاحظ قيمة Φ.Repeat with radii larger than R and note the value of Φ.
  3. لاحظ في الجدول: Φ تزداد مع r داخل الكرة، ثم تبقى ثابتة خارجها.In the table, Φ increases with r inside the sphere and then stays constant outside it.
  4. بعد 3 قراءات يظهر الرسم ε₀Φ مقابل Q_enc، فاستنتج القانون.After three readings the graph of ε₀Φ against Q_enc appears; deduce the law from it.
Procedure
  1. Set Q (e.g. 5 nC), choose a Gaussian radius r smaller than R, and press “Record”.
  2. Repeat with radii larger than R and note the value of Φ.
  3. In the table, Φ increases with r inside the sphere and then stays constant outside it.
  4. After three readings the graph of ε₀Φ against Q_enc appears; deduce the law from it.
5
0.2
r (m)Q_enc (nC)Φ (N·m²/C)
التدفق Φ (N·m²/C)Flux Φ (N·m²/C)—

📌 قانون جاوس (من التجربة 2)

📌 Gauss's law (from Experiment 2)

\[\Phi=\oint \vec E\cdot d\vec A=\frac{Q_{enc}}{\varepsilon_0}\]

الاستنتاج: الميل بين \(\varepsilon_0\Phi\) و\(Q_{enc}\) يساوي 1، أي أن التدفق عبر أي سطح مغلق يساوي الشحنة المحصورة داخله مقسومة على \(\varepsilon_0\). التدفق لا يعتمد على حجم السطح أو شكله، بل على الشحنة المحصورة فقط.
Conclusion: the slope of \(\varepsilon_0\Phi\) against \(Q_{enc}\) is 1, so the flux through any closed surface equals the enclosed charge divided by \(\varepsilon_0\). It depends only on the enclosed charge, not on the surface's size or shape.
❓ مثال 3Example 3

احسب التدفق الكهربائي عبر سطح كروي نصف قطره \(20\,cm\) يحيط بالكرة السابقة (\(Q=5\,nC\)).

Find the electric flux through a spherical surface of radius \(20\,cm\) enclosing the previous sphere (\(Q=5\,nC\)).

الحل
السطح يحوي الشحنة كلها، إذن:\[\Phi=\frac{Q_{enc}}{\varepsilon_0}=\frac{5\times10^{-9}}{8.85\times10^{-12}}\]
\[\Phi\approx 565\,N\cdot m^2/C\]
✅ \(\Phi\approx 565\,N\cdot m^2/C\)
Solution
The surface encloses all the charge, so:\[\Phi=\frac{Q_{enc}}{\varepsilon_0}=\frac{5\times10^{-9}}{8.85\times10^{-12}}\]
\[\Phi\approx 565\,N\cdot m^2/C\]
✅ \(\Phi\approx 565\,N\cdot m^2/C\)
❓ مثال 4Example 4

احسب التدفق عبر سطح كروي نصف قطره \(5\,cm\) داخل الكرة نفسها (\(R=10\,cm\)، \(Q=5\,nC\)).

Find the flux through a spherical surface of radius \(5\,cm\) inside the same sphere (\(R=10\,cm\), \(Q=5\,nC\)).

الحل
الشحنة المحصورة جزء من Q بنسبة حجم الكرة الصغرى:\[Q_{enc}=Q\left(\frac{r}{R}\right)^3=5\left(\frac{0.05}{0.1}\right)^3=0.625\,nC\]
\[\Phi=\frac{Q_{enc}}{\varepsilon_0}=\frac{0.625\times10^{-9}}{8.85\times10^{-12}}\approx 70.6\,N\cdot m^2/C\]
✅ \(\Phi\approx 70.6\,N\cdot m^2/C\)
Solution
The enclosed charge is the fraction of Q given by the volume ratio:\[Q_{enc}=Q\left(\frac{r}{R}\right)^3=5\left(\frac{0.05}{0.1}\right)^3=0.625\,nC\]
\[\Phi=\frac{Q_{enc}}{\varepsilon_0}=\frac{0.625\times10^{-9}}{8.85\times10^{-12}}\approx 70.6\,N\cdot m^2/C\]
✅ \(\Phi\approx 70.6\,N\cdot m^2/C\)

📌 ملخص الدرس

📌 Lesson Summary

المنطقةRegionالمجال EField Eالشحنة المحصورة Q_encEnclosed charge Q_encالتدفق ΦFlux Φ
داخل الكرة rInside rيزداد خطيًا مع rGrows linearly with rجزء من QPart of Qيزداد مع rGrows with r
عند السطح r=RAt the surface r=RkQ/R²kQ/R²QQ/ε₀
خارج الكرة r>ROutside r>RkQ/r² (يتناقص)kQ/r² (decreasing)Qثابت = Q/ε₀Constant = Q/ε₀

🧪 اختبر نفسك: امتحان من 20 سؤالًا

🧪 Test Yourself: a 20-Question Exam

أنهِ الدرس بالاختبار التفاعلي التالي؛ أسئلته تجمع بين الفهم والحساب وتغطي جميع أقسام الدرس.

Finish with the interactive exam below; its questions mix understanding with calculation and cover every section of the lesson.

⚡

اختبار: المجال الكهربائي لكرة مصمتة بإستخدام قانون جاوس Quiz: Electric Field of a Solid Sphere Using Gauss's Law

20 سؤالاً - المجال الكهربائي لكرة مصمتة وقانون جاوس 20 Questions - Electric Field of a Solid Sphere and Gauss's Law

المعلوماتInfo
الأسئلةQuestions
النتائجResults
📌 تعليمات مهمة:
• عدد الأسئلة: 20 سؤالاً
• مدة الاختبار: 30 دقيقة
• لا يمكنك تغيير إجاباتك أو إعادة الاختبار إلا بعد 24 ساعة من التسليم.
• تأكد من إجاباتك قبل التسليم!
📌 Important Instructions:
• Number of questions: 20 questions
• Quiz duration: 30 minutes
• You cannot change your answers or retake the quiz for 24 hours after submission.
• Make sure of your answers before submitting!

تم بحمد الله شرح المجال الكهربائي لكرة مصمتة وتطبيق قانون جاوس.

Praise be to Allah, we have covered the electric field of a solid sphere and Gauss's law.