Prevodniki v električnem polju

V žicah - v kovinah in elektrolitih so nosilci naboja. V elektrolitih so to ioni, v kovinah - elektroni. Ti električno nabiti delci se lahko gibljejo po celotnem volumnu prevodnika pod vplivom zunanjega elektrostatičnega polja. Prevodni elektroni v kovinah, ki nastanejo zaradi kondenzacije kovinskih hlapov zaradi delitve valenčnih elektronov, so nosilci naboja v kovinah.

Jakost in potencial električnega polja v prevodniku

V odsotnosti zunanjega električnega polja je kovinski prevodnik električno nevtralen, ker je znotraj njega elektrostatično polje popolnoma kompenzirano z negativnimi in pozitivnimi naboji v njegovem volumnu.

Če kovinski prevodnik vnesemo v zunanje elektrostatično polje, se bodo prevodni elektroni znotraj prevodnika začeli prerazporejati, začeli se bodo premikati in premikati tako, da bo povsod v volumnu prevodnika polje pozitivnih ionov in polje prevodnosti elektroni bodo sčasoma kompenzirali zunanje elektrostatično polje.

Tako bo znotraj prevodnika, ki se nahaja v zunanjem elektrostatičnem polju, na kateri koli točki električna poljska jakost E enaka nič. Tudi potencialna razlika znotraj prevodnika bo enaka nič, to pomeni, da bo potencial v notranjosti postal konstanten. To pomeni, da vidimo, da se dielektrična konstanta kovine nagiba k neskončnosti.

Toda na površini žice bo intenziteta E usmerjena normalno na to površino, ker bi drugače napetostna komponenta, usmerjena tangencialno na površino žice, povzročila premikanje nabojev vzdolž žice, kar bi bilo v nasprotju z resnično, statično porazdelitvijo. Zunaj, zunaj žice, je električno polje, kar pomeni, da obstaja tudi vektor E, pravokoten na površino.

Posledično bo v stabilnem stanju kovinski prevodnik, postavljen v zunanje električno polje, imel na svoji površini naboj nasprotnega predznaka, proces vzpostavitve pa traja nanosekunde.

Elektrostatična zaščita temelji na načelu, da zunanje električno polje ne prodre skozi prevodnik. Silo zunanjega električnega polja E kompenzira normalno (pravokotno) električno polje na površini prevodnika En, tangencialna sila Et pa je enaka nič. Izkazalo se je, da je prevodnik v tej situaciji popolnoma ekvipotencialen.

Na kateri koli točki na takem prevodniku je φ = const, saj je dφ / dl = — E = 0. Tudi površina prevodnika je ekvipotencialna, saj je dφ / dl = — Et = 0. Potencial površine prevodnika je enak na potencial njegove prostornine. Nekompenzirani naboji na naelektrenem prevodniku se v takšni situaciji nahajajo le na njegovi površini, kjer se nosilci naboja odbijajo s Coulombovimi silami.

Po Ostrogradsky-Gaussovem izreku je skupni naboj q v prostornini prevodnika enak nič, ker je E = 0.

Določanje jakosti električnega polja v bližini prevodnika

Če izberemo ploščino dS površine žice in na njej zgradimo valj z generatorji višine dl pravokotno na površino, potem bomo imeli dS '= dS' '= dS. Vektor električne poljske jakosti E je pravokoten na površino in vektor električnega premika D je sorazmeren z E, zato bo tok D skozi stransko površino valja enak nič.

Tudi tok vektorja električnega pomika Фd skozi dS» je enak nič, saj je dS» znotraj prevodnika in tam E = 0, torej D = 0. Zato je dFd skozi zaprto površino enak D skozi dS', dФd = Dn * dS. Po drugi strani pa po Ostrogradsky-Gaussovem izreku: dФd = dq = σdS, kjer je σ površinska gostota naboja na dS. Iz enakosti desnih strani enačb sledi, da je Dn = σ, nato pa En = Dn / εε0 = σ / εε0.

Sklep: jakost električnega polja blizu površine naelektrenega prevodnika je premo sorazmerna z gostoto površinskega naboja.

Eksperimentalno preverjanje porazdelitve naboja na žici

Na mestih z različno jakostjo električnega polja se papirnati cvetni listi razhajajo na različne načine. Na površini manjšega polmera ukrivljenosti (1) - največ, na stranski površini (2) - enako, tukaj je q = const, to pomeni, da je naboj enakomerno porazdeljen.

Elektrometer, naprava za merjenje potenciala in naboja na žici, bi pokazal, da je na konici naboj največji, na stranski površini manjši, na notranji površini (3) pa je naboj nič.Moč električnega polja na vrhu naelektrene žice je največja.

Ker je električna poljska jakost E na konicah visoka, to vodi do uhajanja naboja in ionizacije zraka, zato je ta pojav pogosto nezaželen. Ioni prenašajo električni naboj iz žice in pojavi se učinek ionskega vetra. Vizualne predstavitve, ki odražajo ta učinek: pihanje plamena sveče in Franklinovo kolo. To je dobra osnova za izdelavo elektrostatičnega motorja.

Če se kovinska naelektrena kroglica dotakne površine drugega prevodnika, se naboj delno prenese s kroglice na prevodnik in potenciala tega prevodnika in kroglice se izenačita. Če je krogla v stiku z notranjo površino votle žice, bo ves naboj iz krogle popolnoma porazdeljen le na zunanjo površino votle žice.

To se bo zgodilo ne glede na to, ali je potencial krogle večji od potenciala votle žice ali manjši. Tudi če je potencial krogle pred dotikom manjši od potenciala votle žice, bo naboj iz krogle popolnoma stekel, saj bo eksperimentator, ko se krogla premakne v votlino, opravil delo za premagovanje odbojnih sil, tj. , bo potencial kroglice narasel, potencialna energija naboja se bo povečala.

Posledično bo naboj stekel od višjega potenciala k nižjemu. Če zdaj naslednji del naboja na kroglici prenesemo na votlo žico, bo potrebno še več dela. Ta poskus jasno odraža dejstvo, da je potencial energetska lastnost.

Robert Van De Graaf

Robert Van De Graaf (1901 - 1967) je bil sijajen ameriški fizik. Leta 1922Robert je diplomiral na Univerzi v Alabami, kasneje, od 1929 do 1931, je delal na Univerzi Princeton, od 1931 do 1960 pa na Massachusetts Institute of Technology. Ima vrsto raziskovalnih člankov o jedrski in pospeševalni tehnologiji, ideji in izvedbi tandemskega ionskega pospeševalnika ter izumu visokonapetostnega elektrostatičnega generatorja, Van de Graafovega generatorja.

Načelo delovanja Van De Graaffovega generatorja nekoliko spominja na poskus s prenosom naboja s kroglice na votlo kroglo, kot v zgoraj opisanem poskusu, vendar je tu proces avtomatiziran.

Tekoči trak se s pomočjo visokonapetostnega enosmernega vira pozitivno naelektri, nato pa se naboj z gibanjem traku prenese v notranjost velike kovinske krogle, kjer se s konice prenese nanjo in porazdeli po zunanji sferični površini. Tako dobimo potenciale glede na zemljo v milijonih voltov.

Trenutno obstajajo pospeševalni generatorji van de Graaff, na primer na Raziskovalnem inštitutu za jedrsko fiziko v Tomsku je ESG te vrste na milijon voltov, ki je nameščen v ločenem stolpu.

Električna kapaciteta in kondenzatorji

Kot je navedeno zgoraj, ko se naboj prenese na prevodnik, se na njegovi površini pojavi določen potencial φ. In za različne žice se bo ta potencial razlikoval, tudi če je količina naboja, prenesena na žice, enaka. Odvisno od oblike in velikosti žice je potencial lahko različen, vendar bo tako ali drugače sorazmeren z nabojem in naboj bo sorazmeren s potencialom.

Razmerje strani se imenuje zmogljivost, zmogljivost ali preprosto zmogljivost (če je to jasno implicirano v kontekstu).

Električna kapacitivnost je fizikalna količina, ki je številčno enaka naboju, ki ga je treba sporočiti prevodniku, da se njegov potencial spremeni za eno enoto. V sistemu SI se električna zmogljivost meri v faradih (zdaj »farad«, prej »farad«) in 1F = 1C / 1V. Torej je površinski potencial sferičnega prevodnika (krogle) φsh = q / 4πεε0R, zato je Csh = 4πεε0R.

Če vzamemo R enako polmeru Zemlje, potem bo električna kapacitivnost Zemlje kot enega prevodnika enaka 700 mikrofaradov. Pomembno! To je električna kapacitivnost Zemlje kot enega prevodnika!

Če na eno žico pripeljete drugo žico, se bo zaradi pojava elektrostatične indukcije električna zmogljivost žice povečala. Torej, dva prevodnika, ki sta blizu drug drugemu in predstavljata plošči, se imenujeta kondenzator.

Ko je elektrostatično polje koncentrirano med ploščama kondenzatorja, to je znotraj njega, zunanja telesa ne vplivajo na njegovo električno zmogljivost.

Kondenzatorji so na voljo v ploščatih, cilindričnih in sferičnih kondenzatorjih. Ker je električno polje koncentrirano znotraj, med ploščama kondenzatorja, se linije električnega premika, ki se začnejo od pozitivno nabite plošče kondenzatorja, končajo v njegovi negativno nabiti plošči. Zato sta naboja na ploščah nasprotnega predznaka, a enaka po velikosti. In kapacitivnost kondenzatorja C = q / (φ1-φ2) = q / U.

Formula za kapacitivnost ploščatega kondenzatorja (na primer)

Ker je napetost električnega polja E med ploščama enaka E = σ / εε0 = q / εε0S in U = Ed, potem je C = q / U = q / (qd / εε0S) = εε0S / d.

S je površina plošč; q je naboj na kondenzatorju; σ je gostota naboja; ε je dielektrična konstanta dielektrika med ploščama; ε0 je dielektrična konstanta vakuuma.

Energija nabitega kondenzatorja

Če zapremo plošče nabitega kondenzatorja skupaj z žičnim vodnikom, lahko opazimo tok, ki je lahko tako močan, da žico takoj stopi. Očitno je, da kondenzator shranjuje energijo. Kakšna je ta energija kvantitativno?

Če se kondenzator napolni in nato izprazni, je U' trenutna vrednost napetosti na njegovih ploščah. Ko naboj dq preide med ploščama, bo opravljeno delo dA = U'dq. To delo je številčno enako izgubi potencialne energije, kar pomeni dA = — dWc. In ker je q = CU, potem je dA = CU'dU ' in skupno delo A = ∫ dA. Z integracijo tega izraza po predhodni zamenjavi dobimo Wc = CU2/2.