Vezetők elektromos térben

A vezetékekben - fémekben és elektrolitokban töltéshordozók vannak. Az elektrolitokban ezek ionok, fémekben - elektronok. Ezek az elektromosan töltött részecskék külső elektrosztatikus tér hatására a vezető teljes térfogatában képesek mozogni. A fémekben lévő vezetési elektronok, amelyek a vegyértékelektronok megosztása következtében a fémgőzök kondenzációjából származnak, töltéshordozók a fémekben.

Az elektromos tér erőssége és potenciálja a vezetőben

Külső elektromos tér hiányában a fémvezető elektromosan semleges, mert benne az elektrosztatikus teret a térfogatában lévő negatív és pozitív töltések teljesen kompenzálják.

Ha egy fémvezetőt bevezetünk egy külső elektrosztatikus mezőbe, akkor a vezető belsejében lévő vezetési elektronok újraosztódnak, elkezdenek mozogni és mozogni úgy, hogy a vezető térfogatában mindenhol a pozitív ionok mezője és a vezetési mező. Az elektronok végül kompenzálják a külső elektrosztatikus mezőt.

Így egy külső elektrosztatikus térben lévő vezető belsejében az E elektromos térerősség bármely ponton nulla lesz. A vezető belsejében a potenciálkülönbség is nulla lesz, vagyis a belső potenciál állandó lesz. Vagyis azt látjuk, hogy a fém dielektromos állandója a végtelenbe hajlik.

De a huzal felületén az E intenzitás az adott felületre merőlegesen fog irányulni, mert különben a huzal felületére érintőlegesen irányított feszültségkomponens töltések mozgását idézné elő a vezeték mentén, ami ellentmondana a valós, statikus eloszlásnak. A vezetéken kívül elektromos tér van, ami azt jelenti, hogy van egy E vektor is, amely merőleges a felületre.

Ennek eredményeként egy külső elektromos térbe helyezett fémvezető felületén stacionárius állapotban ellentétes előjelű töltés lesz, és ennek létrejötte nanoszekundumokat vesz igénybe.

Az elektrosztatikus árnyékolás azon az elven alapul, hogy külső elektromos tér nem hatol át a vezetőn. A külső E elektromos tér erejét az En vezető felületén lévő normál (merőleges) elektromos tér kompenzálja, az Et érintőerő pedig nullával egyenlő. Kiderült, hogy a vezető ebben a helyzetben teljesen ekvipotenciális.

Egy ilyen vezető bármely pontján φ = const, mivel dφ / dl = — E = 0. A vezető felülete is ekvipotenciális, mivel dφ / dl = — Et = 0. A vezető felületének potenciálja egyenlő volumenében rejlő lehetőségekhez. A töltött vezetőn a kompenzálatlan töltések ilyen helyzetben csak a felületén vannak, ahol a töltéshordozókat Coulomb-erők taszítják.

Az Ostrogradsky-Gauss tétel szerint a vezető térfogatában a teljes q töltés nulla, mivel E = 0.

Az elektromos tér erősségének meghatározása a vezető közelében

Ha kiválasztjuk a huzal felületének dS területét, és ráépítünk egy hengert a felületre merőleges dl magasságú generátorokkal, akkor dS '= dS' '= dS lesz. Az E elektromos térerősségvektor merőleges a felületre, a D elektromos elmozdulásvektor pedig E-vel arányos, ezért a henger oldalfelületén áthaladó D fluxus nulla lesz.

A Фd elektromos elmozdulásvektor fluxusa dS»-n keresztül szintén nulla, mivel dS» a vezető belsejében van, és ott E = 0, ezért D = 0. Ezért a zárt felületen átmenő dFd egyenlő D-vel dS'-n keresztül, dФd = Dn * dS. Másrészt az Ostrogradsky-Gauss tétel szerint: dФd = dq = σdS, ahol σ a felületi töltéssűrűség dS-en. Az egyenletek jobb oldalának egyenlőségéből az következik, hogy Dn = σ, majd En = Dn / εε0 = σ / εε0.

Következtetés: A töltött vezető felületéhez közeli elektromos tér erőssége egyenesen arányos a felületi töltéssűrűséggel.

A vezetéken történő töltéseloszlás kísérleti ellenőrzése

Különböző elektromos térerősségű helyeken a papírszirmok eltérő módon térnek el egymástól. Kisebb görbületi sugár felületén (1) - a maximum, az oldalfelületen (2) - ugyanaz, itt q = const, vagyis a töltés egyenletesen oszlik el.

Egy elektrométer, egy vezeték potenciál és töltés mérésére szolgáló eszköz azt mutatná, hogy a csúcson a töltés maximális, az oldalfelületen kisebb, a belső felületen (3) pedig nulla.Az elektromos tér erőssége a feltöltött vezeték tetején a legnagyobb.

Mivel az E elektromos térerősség a csúcsoknál nagy, ez töltésszivárgáshoz és a levegő ionizációjához vezet, ezért ez a jelenség gyakran nem kívánatos. Az ionok hordozzák az elektromos töltést a vezetékből, és az ionszél effektus lép fel. Ezt a hatást tükröző vizuális bemutatók: gyertyaláng elfújása és Franklin kereke. Ez jó alap az elektrosztatikus motor építéséhez.

Ha egy fém töltésű golyó egy másik vezető felületét érinti, akkor a töltés részben átkerül a golyóból a vezetőbe, és ennek a vezetőnek és a golyónak a potenciálja kiegyenlítődik. Ha a golyó érintkezik az üreges huzal belső felületével, akkor a golyóból származó összes töltés csak az üreges huzal külső felületén oszlik el teljesen.

Ez akkor történik meg, ha a golyó potenciálja nagyobb, mint az üreges huzalé, vagy kisebb. Még ha a golyó érintkezés előtti potenciálja kisebb is, mint az üreges huzal potenciálja, a golyóból származó töltés teljesen áramlik, mert amikor a labda az üregbe mozog, a kísérletező munkát végez a taszító erők leküzdésére, pl. , a labda potenciálja nő, a töltés potenciális energiája nő.

Ennek eredményeként a töltés magasabb potenciálról alacsonyabbra fog áramlani. Ha most a golyón lévő töltet következő részét átvisszük az üreges huzalra, akkor még több munkára lesz szükség. Ez a kísérlet egyértelműen tükrözi azt a tényt, hogy a potenciál energiajellemző.

Robert Van De Graaf

Robert Van De Graaf (1901-1967) briliáns amerikai fizikus volt. 1922-benRobert az Alabamai Egyetemen szerzett diplomát, később, 1929 és 1931 között a Princeton Egyetemen, 1931 és 1960 között pedig a Massachusetts Institute of Technology-n dolgozott. Számos kutatási közleménye van a nukleáris és gyorsítótechnológiáról, a tandem iongyorsító ötletéről és megvalósításáról, valamint a nagyfeszültségű elektrosztatikus generátor, a Van de Graaf generátor feltalálásáról.

A Van De Graaff generátor működési elve némileg emlékeztet a töltés golyóról üreges gömbre történő átvitelére, mint a fent leírt kísérletben, de itt a folyamat automatizált.

A szállítószalag pozitív töltését egy nagyfeszültségű egyenáramforrás segítségével végezzük, majd a töltés a szalag mozgásával egy nagy fémgömb belsejébe kerül, ahol a csúcsról arra kerül, és eloszlik a külső gömbfelületen. Így a földhöz viszonyított potenciálok millió voltban vannak megadva.

Jelenleg vannak van de Graaff gyorsítógenerátorok, például a tomszki Atomfizikai Kutatóintézetben van egy ilyen típusú ESG millió voltonként, amelyet külön toronyban helyeznek el.

Elektromos kapacitás és kondenzátorok

Mint fentebb említettük, amikor egy töltést átadunk egy vezetőnek, egy bizonyos φ potenciál jelenik meg a felületén. És a különböző vezetékeknél ez a potenciál eltérő lesz, még akkor is, ha a vezetékekre átvitt töltés mértéke azonos. A vezeték alakjától és méretétől függően a potenciál különböző lehet, de így vagy úgy, hogy arányos lesz a töltéssel, és a töltés arányos lesz a potenciállal.

Az oldalak arányát kapacitásnak, kapacitásnak vagy egyszerűen kapacitásnak nevezik (ha a szövegkörnyezet egyértelműen utal rá).

Az elektromos kapacitás egy fizikai mennyiség, amely számszerűen egyenlő azzal a töltéssel, amelyet jelenteni kell a vezetőnek, hogy a potenciálját egy egységgel megváltoztassa. Az SI rendszerben az elektromos kapacitást faradokban mérik (ma "farad", korábban "farad") és 1F = 1C / 1V. Tehát egy gömb alakú vezető (gömb) felületi potenciálja φsh = q / 4πεε0R, tehát Csh = 4πεε0R.

Ha R egyenlőnek vesszük a Föld sugarát, akkor a Föld elektromos kapacitása egyetlen vezetőként 700 mikrofarad lesz. Fontos! Ez a Föld egyetlen vezető elektromos kapacitása!

Ha egy vezetékhez egy másik vezetéket visz, akkor az elektrosztatikus indukció jelensége miatt a vezeték elektromos kapacitása megnő. Tehát két, egymáshoz közel elhelyezkedő és a lemezeket képviselő vezetéket kondenzátornak nevezzük.

Ha az elektrosztatikus mező a kondenzátor lemezei között koncentrálódik, vagyis a belsejében, a külső testek nem befolyásolják az elektromos kapacitását.

A kondenzátorok lapos, hengeres és gömb alakú kondenzátorokban kaphatók. Mivel az elektromos tér belül, a kondenzátor lemezei között koncentrálódik, az elektromos elmozdulás vonalai a kondenzátor pozitív töltésű lemezétől indulva annak negatív töltésű lemezében végződnek. Ezért a töltések a lemezeken ellentétes előjelűek, de nagyságukban egyenlők. És a kondenzátor kapacitása C = q / (φ1-φ2) = q / U.

A lapos kondenzátor kapacitásának képlete (például)

Mivel a lemezek közötti E elektromos tér feszültsége egyenlő E = σ / εε0 = q / εε0S és U = Ed, akkor C = q / U = q / (qd / εε0S) = εε0S / d.

S a lemezek területe; q a kondenzátor töltése; σ a töltéssűrűség; ε a lemezek közötti dielektrikum dielektromos állandója; ε0 a vákuum dielektromos állandója.

Töltött kondenzátor energiája

A feltöltött kondenzátor lapjait huzalvezetővel együtt lezárva olyan erősségű áramot figyelhetünk meg, amely azonnal megolvasztja a vezetéket. Nyilvánvaló, hogy a kondenzátor energiát tárol. Mennyi ez az energia mennyiségileg?

Ha a kondenzátort feltöltik, majd kisütik, akkor U' a lapjain lévő feszültség pillanatnyi értéke. Amikor a dq töltés áthalad a lemezek között, a munka dA = U'dq. Ez a munka számszerűen egyenlő a potenciális energia veszteséggel, ami dA = — dWc. És mivel q = CU, akkor dA = CU'dU ', és a teljes munka A = ∫ dA. Ezt a kifejezést az előző behelyettesítés után integrálva Wc = CU2/2-t kapunk.