Проводниците са тела, в които електрически зарядиспособен да се движи под въздействието на всяка слаба електростатично поле.
В резултат на това зарядът, придаден на проводника, ще бъде преразпределен, докато в която и да е точка вътре в проводника напрегнатостта на електрическото поле стане нула.
По този начин напрегнатостта на електрическото поле вътре в проводника трябва да бъде нула.
Тъй като , тогава φ=const
Потенциалът вътре в проводника трябва да бъде постоянен.
2.) На повърхността на зареден проводник векторът на напрежението E трябва да бъде насочен нормално към тази повърхност, в противен случай под въздействието на компонент, допирателен към повърхността (E t). зарядите ще се движат по повърхността на проводника.
По този начин, при условие на разпределение на статичен заряд, напрежението на повърхността
където E n е нормалната компонента на напрежението.
Това предполага, 
че когато зарядите са в равновесие, повърхността на проводника е еквипотенциална.
3. В зареден проводник некомпенсираните заряди се намират само на повърхността на проводника.
Нека начертаем произволна затворена повърхност S вътре в проводника, ограничаваща определен вътрешен обем на проводника. Съгласно теоремата на Гаус общият заряд на този обем е равен на:
По този начин в състояние на равновесие няма излишни заряди вътре в проводника. Следователно, ако премахнем вещество от определен обем, взет вътре в проводник, това по никакъв начин няма да повлияе на равновесното разположение на зарядите. По този начин излишният заряд се разпределя върху кух проводник по същия начин, както върху плътен, т.е. по външната му повърхност. Излишните заряди не могат да бъдат разположени на вътрешната повърхност. Това също следва от факта, че еднаквите заряди се отблъскват и следователно са склонни да бъдат разположени на най-голямо разстояние един от друг.
Чрез изследване на големината на напрегнатостта на електрическото поле в близост до повърхността на заредени тела с различни форми може да се прецени и разпределението на зарядите по повърхността.
Изследванията показват, че плътността на заряда при даден потенциал на проводника се определя от кривината на повърхността - тя се увеличава с увеличаване на положителната кривина (изпъкналост) и намалява с увеличаване на отрицателната кривина (вдлъбнатост).Плътността при върховете е особено висока. Силата на полето в близост до върховете може да бъде толкова висока, че да настъпи йонизация на молекулите на околния газ. В този случай зарядът на проводника намалява, изглежда, че изтича от върха.
Ако поставите електрически заряд върху вътрешната повърхност на кух проводник, този заряд ще се прехвърли към външната повърхност на проводника, увеличавайки потенциала на последния. Чрез многократно повтаряне на прехвърлянето към кух проводник, потенциалът му може да бъде значително увеличен до стойност, ограничена от явлението заряди, изтичащи от проводника. Този принцип е използван от Ван дер Грааф за изграждане на електростатичен генератор. В това устройство зарядът от електростатична машина се прехвърля върху безкрайна непроводима лента, носейки я вътре в голяма метална сфера. Там зарядът се премахва и се прехвърля към външната повърхност на проводника, като по този начин е възможно постепенно да се придаде много голям заряд на сферата и да се постигне потенциална разлика от няколко милиона волта.
Проводници във външно електрическо поле.
Не само зарядите, донесени отвън, но и зарядите, които изграждат атомите и молекулите на проводника (електрони и йони), могат да се движат свободно в проводниците. Следователно, когато незареден проводник се постави във външно електрическо поле, свободните заряди ще се преместят към повърхността му, положителните заряди покрай полето и отрицателните заряди срещу полето. В резултат на това в краищата на проводника възникват заряди с противоположен знак, т.нар предизвикани заряди.Това явление, състоящо се в наелектризиране на незареден проводник във външно електростатично поле чрез разделяне върху този проводник на положителните и отрицателните електрически заряди, които вече присъстват в него в равни количества, се нарича наелектризиране чрез влияние или електростатична индукция.
 |
Движението на зарядите в проводник, поставен във външно електрическо поле E 0, ще се случи, докато допълнителното поле E, допълнително създадено от индукционни заряди, компенсира външното поле E 0 във всички точки вътре в проводника и полученото поле E вътре в проводника стане равно до нула.
Общото поле E в близост до проводника ще се различава значително от първоначалната му стойност E 0 . Линиите E ще бъдат перпендикулярни на повърхността на проводника и ще завършват частично при индуцираните отрицателни заряди и ще започват отново при индуцираните положителни заряди.
Зарядите, индуцирани върху проводник, изчезват, когато проводникът се отстрани от електрическото поле. Ако първо отклоните индуцираните заряди от един знак към друг проводник (например в земята) и изключите последния, тогава първият проводник ще остане зареден с електричество от противоположния знак.
Отсъствието на поле вътре в проводник, поставен в електрическо поле, се използва широко в техниката за електростатична защита от външни електрически полета (екраниране) на различни електрически устройства и проводници. Когато искат да защитят устройство от външни полета, то е заобиколено от проводим корпус (екран). Такъв екран също работи добре, ако е направен не непрекъснат, а под формата на плътна мрежа.
Проводниците са тела с висока концентрация на свободни заредени частици, които могат да се движат под въздействието на електрическо поле. Ако придадете на проводник някакъв излишен заряд, тогава свободните заредени частици, които го съставят, ще се преместят (положително - към област с по-нисък потенциал, отрицателно - обратно), докато потенциалите във всички точки на проводника станат еднакви. В този случай се достига състояние, когато напрежението вътре в проводника е нула, а на повърхността векторите на напрежението са перпендикулярни на него. Ако изберете затворена повърхност вътре в проводника С, което е много близо до повърхността на проводника (фиг. 37.1), тогава, в съответствие с теоремата на Гаус, потокът на вектора на интензитета през тази повърхност ще бъде равно на нула. Това означава, че вътре в него няма заряд и целият излишен заряд се разпределя по външната повърхност на проводника. Нека разберем от какво зависи повърхностната плътност на заряда.
За да направите това, разгледайте две метални топки, свързани с тънка жица (фиг. 37.2). Топките и жицата образуват един проводник и следователно потенциалите им са еднакви във всички точки. Потенциалът на първата топка е равен на 
, неговата повърхност. Нека изразим заряда и повърхностната плътност на заряда на повърхността на тази топка:
; 
.
Подобни изрази се получават и за втората топка:
; 
.
Разделяйки изразите за плътности на заряда, намираме
Зарядът, придаден на проводника, се разпределя по външната повърхност на проводника, а плътността на повърхностния заряд е обратно пропорционална на радиуса на повърхността.
Реципрочната стойност на радиуса на повърхността в дадена точка се нарича кривина на повърхността. Когато радиусът е по-малък, кривината на повърхността е по-голяма и обратно. В издатините и точките кривината на повърхността е максимална; според израза (37.1) плътността на повърхностния заряд също ще бъде максимална там.
Така стигаме до извода:
Всички точки вътре и на повърхността на зареден проводник имат еднакъв потенциал,
Всички вещества според способността им да провеждат електричествосе делят на проводници, диелектрици и полупроводници. Проводниците са вещества, в които електрически заредени частици - носители на заряд - могат да се движат свободно в целия обем на веществото. Проводниците включват метали, разтвори на соли, киселини и основи, разтопени соли и йонизирани газове.
Нека ограничим разглеждането си до твърди метални проводници с кристална структура. Експериментите показват, че при много малка потенциална разлика, приложена към проводник, съдържащите се в него електрони на проводимост започват да се движат и се движат почти свободно в целия обем на металите.
При липса на външно електростатично поле електрическите полета на положителните йони и електроните на проводимостта се компенсират взаимно, така че силата на вътрешното резултантно поле е нула.
Когато метален проводник се въведе във външно електростатично поле с интензитет E 0, силите на Кулон, насочени в противоположни посоки, започват да действат върху йони и свободни електрони. Тези сили причиняват изместването на заредените частици вътре в метала и се изместват главно свободните електрони, а положителните йони, разположени във възлите на кристалната решетка, практически не променят позицията си. В резултат на това вътре в проводника се появява електрическо поле с интензитет E ".
Преместването на заредените частици вътре в проводника спира, когато общата напрегнатост на полето E в проводника, равна на сумата от напрегнатостта на външното и вътрешното поле, стане нула:
Нека представим израз, свързващ интензитета и потенциала на електростатичното поле в следната форма:
където E е силата на полученото поле вътре в проводника; n е вътрешната нормала към повърхността на проводника. От факта, че полученото напрежение E е нула, следва, че в рамките на обема на проводника потенциалът има същата стойност:
Получените резултати ни позволяват да направим три важни извода:
- 1. Във всички точки вътре в проводника напрегнатостта на полето е, т.е. целият обем на проводника е еквипотенциален.
- 2. При статично разпределение на зарядите по протежение на проводник векторът на напрежение En на неговата повърхност трябва да бъде насочен нормално към повърхността
3. Повърхността на проводника също е еквипотенциална, тъй като за всяка точка от повърхността
3. Проводници във външно електростатично поле
Ако на проводник се даде излишен заряд, тогава този заряд ще бъде разпределен по повърхността на проводника. Наистина, ако вътре в проводник е избрана произволна затворена повърхност S, тогава потокът на вектора на напрегнатост на електрическото поле през тази повърхност трябва да бъде равен на нула. В противен случай вътре в проводника ще съществува електрическо поле, което ще доведе до движение на заряди. Следователно, за да бъде изпълнено условието
общият електрически заряд вътре в тази произволна повърхност трябва да бъде нула.
Силата на електрическото поле в близост до повърхността на зареден проводник може да се определи с помощта на теоремата на Гаус. За да направите това, нека изберем малка произволна област dS на повърхността на проводника и, като я считаме за основа, изградим върху нея цилиндър с генераторна dl (фиг. 3.1). На повърхността на проводника вектор E е насочен нормално към тази повърхност. Следователно потокът на вектор E през странична повърхностцилиндър поради малкостта на dl е равно на нула. Потокът на този вектор през долната основа на цилиндъра, разположен вътре в проводника, също е нула, тъй като вътре в проводника няма електрическо поле. Следователно потокът на вектора E през цялата повърхност на цилиндъра е равен на потока през горната му основа dS ":
където E n е проекцията на вектора на напрегнатостта на електрическото поле върху външната нормала n спрямо областта dS.
Според теоремата на Гаус този поток е равен на алгебрична сумаелектрически заряди, покрити от повърхността на цилиндъра, свързани с произведението на електрическата константа и относителната диелектрична константа на средата, заобикаляща проводника. Вътре в цилиндъра има заряд
където е повърхностната плътност на заряда. Следователно
това означава, че силата на електрическото поле в близост до повърхността на зареден проводник е право пропорционална на повърхностната плътност на електрическите заряди, разположени върху тази повърхност.
Експерименталните изследвания на разпределението на излишните заряди върху проводници с различни форми показват, че разпределението на зарядите върху външната повърхност на проводника зависи само от формата на повърхността: колкото по-голяма е кривината на повърхността (толкова по-малък е радиусът на кривината ), толкова по-голяма е повърхностната плътност на заряда.
В близост до области с малки радиуси на кривина, особено близо до върха, поради високи стойности на напрежението, се получава йонизация на газ, например въздух. В резултат на това йони със същия знак като заряда на проводника се движат в посока от повърхността на проводника, а йони с противоположен знак се движат към повърхността на проводника, което води до намаляване на заряда на проводника. диригент. Това явление се нарича дренаж на заряда. електрически ток проводник статичен
По вътрешните повърхности на затворените кухи проводници няма излишни заряди.
Ако зареден проводник се постави в контакт с външната повърхност на незареден проводник, зарядът ще се преразпредели между проводниците, докато техните потенциали се изравнят.
Ако същият зареден проводник докосне вътрешната повърхност на кух проводник, тогава зарядът се прехвърля изцяло върху кухия проводник.
Тази характеристика на кухите проводници е използвана от американския физик Робърт Ван де Грааф, за да създаде през 1931 г. електростатичен генератор, в който високо директно напрежение се създава чрез механично пренасяне на електрически заряди. Най-модерните електростатични генератори позволяват да се получат напрежения до 15-20 MV.
В заключение отбелязваме още едно явление, присъщо само на проводниците. Ако незареден проводник се постави във външно електрическо поле, то противоположните му части по посока на полето ще имат заряди с противоположни знаци. Ако, без да се премахва външното поле, проводникът се раздели, тогава разделените части ще имат противоположни заряди. Това явление се нарича електростатична индукция.
1. Електростатиката е клон на физиката, където свойствата и взаимодействията на неподвижни неща по отношение на инерционна системапреброяване на електрически заредени тела или частици, които имат електрически заряд.
Основата на електростатиката е поставена от работата на Кулон, въпреки че десет години преди него същите резултати, дори с още по-голяма точност, са получени от Кавендиш. Най-съществената част от електростатиката е потенциалната теория, създадена от Грийн и Гаус.
2. Всички вещества според способността си да провеждат електрически ток се делят на проводници, диелектрици и полупроводници. Проводниците са вещества, в които електрически заредени частици - носители на заряд - могат да се движат свободно в целия обем на веществото. Проводниците включват метали, разтвори на соли, киселини и основи, разтопени соли и йонизирани газове.
Във всички точки вътре в проводника има напрегнатост на полето, т.е. целият обем на проводника е еквипотенциален.
При статично разпределение на зарядите по протежение на проводник векторът на интензитета En на неговата повърхност трябва да бъде насочен нормално към повърхността
в противен случай, под действието на допирателна към повърхността на проводника, компонентите на напрежението и зарядите трябва да се движат по протежение на проводника.
Повърхността на проводника също е еквипотенциална, тъй като за всяка точка от повърхността
В проводниците електрическите заряди могат да се движат свободно под въздействието на поле. Силите, действащи върху свободните електрони на метален проводник, поставен във външно електростатично поле, са пропорционални на силата на това поле. Следователно под въздействието на външно поле зарядите в проводника се преразпределят така, че напрегнатостта на полето във всяка точка вътре в проводника е равна на нула.
На повърхността на зареден проводник векторът на напрежението трябва да бъде насочен нормално към тази повърхност, в противен случай под действието на компонента на вектора, допирателна към повърхността на проводника, зарядите ще се движат по протежение на проводника. Това противоречи на тяхното статично разпределение. По този начин:
1. Във всички точки вътре в проводника и във всички точки на неговата повърхност, .
2. Целият обем на проводник, разположен в електростатично поле, е еквипотенциален във всяка точка вътре в проводника:
Повърхността на проводника също е еквипотенциална, тъй като за всяка линия на повърхността
3. В зареден проводник некомпенсираните заряди се намират само на повърхността на проводника. Наистина, нека начертаем произволна затворена повърхност вътре в проводника, ограничаваща определен вътрешен обем на проводника (фиг. 1.3.1). Тогава, съгласно теоремата на Гаус, общият заряд на този обем е равен на:
тъй като няма поле в повърхностни точки, разположени вътре в проводника.
Нека определим силата на полето на зареден проводник. За да направим това, ние избираме произволна малка област на нейната повърхност и конструираме цилиндър с височина върху нея с образуваща, перпендикулярна на областта, с основи и успоредни на . На повърхността на проводника и близо до него векторите и са перпендикулярни на тази повърхност, а векторният поток през страничната повърхност на цилиндъра е нула. Поток електрическо изместванепрез също е нула, тъй като се намира вътре в проводника и във всички негови точки.
Потокът на изместване през цялата затворена повърхност на цилиндъра е равен на потока през горната основа:
Според теоремата на Гаус този поток равно на суматазаряди, покрити от повърхността:
където е повърхностната плътност на заряда върху повърхностния елемент на проводника. Тогава
И тъй като.
По този начин, ако електростатично поле се създава от зареден проводник, тогава силата на това поле върху повърхността на проводника е право пропорционална на повърхностната плътност на съдържащите се в него заряди.
Изследванията на разпределението на зарядите върху проводници с различни форми, разположени в хомогенен диелектрик далеч от други тела, показват, че разпределението на зарядите във външната повърхност на проводника зависи само от неговата форма: колкото по-голяма е кривината на повърхността, толкова по-голяма е плътността на заряда; няма излишни заряди по вътрешните повърхности на затворени кухи проводници и.
Голяма напрегнатост на полето в близост до остра издатина на зареден проводник води до електрически вятър. В силното електрическо поле близо до върха положителните йони във въздуха се движат с висока скорост, сблъсквайки се с молекулите на въздуха и ги йонизирайки. Появяват се нарастващ брой движещи се йони, образувайки електрически вятър. Поради силната йонизация на въздуха в близост до върха, той бързо губи своя електрически заряд. Следователно, за да запазят заряда на проводниците, те се стремят да гарантират, че техните повърхности нямат остри издатини.
1.3.2. ПРОВОДНИК ВЪВ ВЪНШНО ЕЛЕКТРИЧЕСКО ПОЛЕ
Ако незареден проводник се въведе във външно електростатично поле, тогава под въздействието на електрически сили свободните електрони ще се движат в посоката противоположна посокасила на полето. В резултат на това в двата противоположни края на проводника ще се появят противоположни заряди: отрицателен в края, където има допълнителни електрони, и положителен в края, където няма достатъчно електрони. Тези заряди се наричат индуцирани. Феноменът на наелектризиране на незареден проводник във външно електрическо поле чрез разделяне върху този проводник на положителните и отрицателните електрически заряди, които вече присъстват в него в равни количества, се нарича наелектризиране чрез влияние или електростатична индукция. Ако проводникът се отстрани от полето, индуцираните заряди изчезват.
Индуцираните заряди се разпределят по външната повърхност на проводника. Ако има кухина вътре в проводника, тогава кога равномерно разпределениеиндуцирани заряди, полето вътре в него е нула. На това се основава електростатичната защита. Когато искат да защитят (екранират) устройство от външни полета, то е заобиколено от проводим екран. Външното поле се компенсира вътре в екрана чрез индуцирани заряди, възникващи на повърхността му.
1.3.3 ЕЛЕКТРИЧЕСКИ КАПАЦИТЕТ НА ЕДИН ПРОВОДНИК
Помислете за проводник, разположен в хомогенна среда, далеч от други проводници. Такъв проводник се нарича самотен. Когато този проводник получи електричество, неговите заряди се преразпределят. Естеството на това преразпределение зависи от формата на проводника. всеки нова частзарядите се разпределят по повърхността на проводника подобно на предишния, като по този начин, с увеличаване на заряда на проводника с коефициент, повърхностната плътност на заряда във всяка точка на повърхността му се увеличава със същото количество, където е определено функция на координатите на разглежданата повърхностна точка.
Разделяме повърхността на проводника на безкрайно малки елементи, зарядът на всеки такъв елемент е равен и може да се счита за точков. Потенциалът на зарядното поле в отдалечена от него точка е равен на:
Потенциалът в произволна точка на електростатичното поле, образувано от затворена повърхност на проводник, е равен на интеграла:
За точка, разположена на повърхността на проводник, е функция на координатите на тази точка и елемент. В този случай интегралът зависи само от размера и формата на повърхността на проводника. В този случай потенциалът е еднакъв за всички точки на проводника, следователно стойностите са еднакви.
Смята се, че потенциалът на незареден самотен проводник е нула.
От формула (1.3.1) става ясно, че потенциалът на самотен проводник е право пропорционален на неговия заряд. Съотношението се нарича електрически капацитет
Електрическият капацитет на изолиран проводник е числено равен на електрическия заряд, който трябва да бъде предаден на този проводник, за да може потенциалът на проводника да се промени с единица.Електрическият капацитет на проводника зависи от неговата форма и размер, а геометрично подобните проводници имат пропорционален капацитет, тъй като разпределението на зарядите върху тях също е подобно и разстоянията от подобни заряди до съответните точки на полето са право пропорционални на линейни размери на проводниците.
Потенциалът на електростатичното поле, създадено от всеки точков заряд, е обратно пропорционален на разстоянието от този заряд. По този начин потенциалите на еднакво заредени и геометрично подобни проводници се променят обратно пропорционално на техните линейни размери, а капацитетът на тези проводници се променя правопропорционално.
От израза (1.3.2) става ясно, че капацитетът е право пропорционален на диелектричната проницаемост на средата. Капацитетът му не зависи нито от материала на проводника, нито от неговото агрегатно състояние, нито от формата и размера на възможните кухини вътре в проводника. Това се дължи на факта, че излишните заряди се разпределят само върху външната повърхност на проводника. не зависи и от и .
Единици за капацитет: - фарад, неговите производни; .
Капацитетът на Земята като проводяща топка () е равен на .
1.3.4. ВЗАИМЕН ЕЛЕКТРИЧЕСКИ КАПАЦИТЕТ. КОНДЕНЗАТОРИ
Помислете за проводник, близо до който има други проводници. Този проводник вече не може да се счита за самотен; капацитетът му ще бъде по-голям от капацитета на самотен проводник. Това се дължи на факта, че когато се придаде заряд на проводник, проводниците около него се зареждат чрез въздействие, а тези, които са най-близо до водещия заряд, са заряди с противоположен знак. Тези заряди донякъде отслабват полето, създадено от заряда. Така те намаляват потенциала на проводника и увеличават неговия електрически капацитет (1.3.2).
Нека разгледаме система, съставена от близко разположени проводници, чиито заряди са числено равни, но противоположни по знак. Нека обозначим потенциалната разлика между проводниците, абсолютна стойносттакси е равно на . Ако проводниците са разположени далеч от други заредени тела, тогава
където е взаимният електрически капацитет на два проводника:
- той е числено равен на заряда, който трябва да се прехвърли от един проводник към друг, за да се промени потенциалната разлика между тях с единица.
Взаимен капацитетдва проводника зависи от тяхната форма, размер и взаимно разположение, както и от диелектричната константа на средата. За хомогенна среда.
Ако един от проводниците се отстрани, тогава потенциалната разлика се увеличава и взаимният капацитет намалява, клонейки към стойността на капацитета на изолирания проводник.
Нека помислим два различно заредени проводника, чиято форма и взаимно споразумениеса такива, че полето, което създават, е концентрирано в ограничена област от пространството. Такава система се нарича кондензатор.
1. Плоският кондензатор има две успоредни метални пластини с площ , разположени на разстояние една от друга (1.3.3). Заряди на плочи и . Ако линейните размери на плочите са големи в сравнение с разстоянието, тогава електростатичното поле между плочите може да се счита за еквивалентно на полето между две безкрайни равнини, заредени противоположно с повърхностните плътности на заряда и, силата на полето, потенциалната разлика между плочите, тогава къде е диелектричната константа на средата, запълваща кондензатора.
2. Сферичният кондензатор се състои от метална топка с радиус , заобиколена от концентрична куха метална топка с радиус , (фиг. 1.3.4). Извън кондензатора полетата, създадени от вътрешната и външната пластина, се компенсират взаимно. Полето между плочите се създава само от заряда на топката, тъй като зарядът на топката не създава електрическо поле вътре в тази топка. Следователно потенциалната разлика между плочите: , тогава
Пример за цилиндричен кондензатор е Лайденов буркан. Ако разликата между плочите на кондензатора е малка, тогава и , където е страничната площ на плочата.
По този начин, електрическият капацитет на всеки кондензатор е пропорционален на диелектричната константа на веществото, запълващо празнината между плочите.
В допълнение към електрическия капацитет, кондензаторът се характеризира с пробивно напрежение. Това е потенциалната разлика между плочите, при която може да възникне разрушаване.
1.3.5. ВРЪЗКИ НА КОНДЕНЗАТОР
1. Паралелна връзка. Нека разгледаме батерия от кондензатори, свързани с пластини със същото име (фиг. 1.3.6). Капацитетите на кондензаторите са съответно равни. Потенциалните разлики за всички кондензатори са еднакви, така че зарядите на плочите винаги са по-малки от минималния електрически капацитет, включен в батерията.
Електрическият ток е насоченото движение на електрически заряди. За предаване на електричество се използват проводници, предимно метални. Примери за такива материали са мед и алуминий, а неметалите включват графит. Протичането на ток има едно интересна функция, а именно разпределението на зарядите в проводник по неговия обем. Ще разгледаме този въпрос в статията.
Носители на заряд и тяхното движение
Проводникът е вещество, в което носителите започват да се движат под въздействието на най-малкото външно електрическо поле. Когато няма външно поле, полетата на положителните йони и отрицателните електрони се компенсират взаимно. Разгледахме по-подробно свързан проблем и го сравнихме в статия, публикувана по-рано.
Помислете за метален предмет, който е в електрическо поле. Носителите на заряд започват да се движат под въздействието на външно поле поради факта, че силите на Кулон започват да действат върху носителите на заряд. Освен това върху положителните и отрицателните носители посоката на действие на тези сили е в различни посоки. Движението спира, ако сумата от напрегнатостта на външното и вътрешното поле стане нула, т.е.
Erez=Вътрешен+Eвъншен=0
В този случай силата на полето е равна на:
E=dФ/dt
Ако напрежението е нула, тогава потенциалът вътре в тялото е равен на някакво постоянно число. Това ще стане ясно, ако изразим потенциала от тази формула и извършим интегриране, тоест:
Положителните йони и електрони от целия обем на тялото се втурват към повърхността му, за да компенсират напрежението. Тогава напрегнатостта на електрическото поле вътре в проводника става нула, тъй като се балансира от носители на заряд от повърхността му.
Интересно!Повърхност, върху която има един и същ потенциал във всички точки, се нарича еквипотенциална.
Ако разгледаме този въпрос по-подробно, тогава, когато проводник се въведе в електрическо поле, положителните йони се движат срещу неговите силови линии, а отрицателните електрони в същата посока. Това се случва докато се разпределят и полето в проводника стане нула. Такива заряди се наричат индуцирани или излишни.
важно!Когато зарядите се придадат на проводящ материал, те ще бъдат разпределени така, че да се постигне състояние на равновесие. Подобните заряди ще се отблъскват и ще се стремят в съответствие с посоката на линиите на електрическото поле.
От това следва, че извършената работа за преместване на носители на заряд е нула, което е равно на потенциалната разлика. Тогава потенциалът в различните части на проводника е равен на постоянно число и не се променя. Важно е да знаете, че в един диелектрик, за да се откъсне носител на заряд, например електрон, от атом, трябва да се приложат големи сили. Следователно описаните явления в общ смисъл се наблюдават върху проводящи тела.
Електрически капацитет на самотен проводник
Първо, нека да разгледаме концепцията за самотен проводник. Това е проводник, който се отделя от други заредени проводници и тела. В този случай потенциалът върху него ще зависи от неговия заряд.
Електрическият капацитет на отделен проводник е способността на проводника да задържа разпределен заряд. На първо място, това зависи от формата на проводника.
Ако две такива тела са разделени с диелектрик, например въздух, слюда, хартия, керамика и др. - получавате кондензатор. Капацитетът му зависи от разстоянието между плочите и тяхната площ, както и от потенциалната разлика между тях.
Формулите описват зависимостта на капацитета от потенциалната разлика и от геометричните размери на плосък кондензатор. Можете да научите повече за това от нашата отделна статия.
Разпределение на заряда и форма на тялото
И така, плътността на разпределение на носителите на заряд зависи от формата на проводника. Нека разгледаме това с примера на формули за сфера.
Да приемем, че имаме метална заредена сфера с радиус R, плътност на заряда на повърхността G и потенциал Ф. Тогава:
От последната получена формула може да се разбере, че плътността е приблизително обратно пропорционална на радиуса на сферата.
Тоест, колкото по-изпъкнал и остър е обектът, толкова по-голяма е плътността на носителите на това място. При вдлъбнати повърхности плътността е минимална. Това може да се види във видеото:
Приложение в практиката
Ако вземем предвид горното, заслужава да се отбележи, че токът протича през кабела и се разпределя сякаш по външния диаметър на тръбата. Това се дължи на особеностите на разпределението на електроните в проводящо тяло.
Любопитно е, че при протичане на токове в системи с високочестотен ток се наблюдава скин ефект. Това е разпределението на зарядите по повърхността на проводниците. Но в този случай се наблюдава още по-тънък "проводящ" слой.
Какво означава? Това предполага, че за протичане на ток със същата величина с мрежова честота 50 Hz и с честота 50 kHz във високочестотна верига ще е необходимо по-голямо напречно сечение на проводника. На практика това се наблюдава при импулсните захранвания. Това са токовете, които протичат в техните трансформатори. За да увеличите площта на напречното сечение, изберете дебел проводник или навийте намотките с няколко проводника наведнъж.
Зависимостта на разпределението на плътността от формата на повърхността, описана в предишния раздел, се използва на практика в мълниезащитните системи. Известно е, че за защита срещу повреда от мълния се монтира един вид мълниезащита, например гръмоотвод. На повърхността му се натрупват заредени частици, поради което разрядът се случва точно в него, което отново потвърждава казаното за тяхното разпространение.
Това е всичко, което искахме да ви кажем за това как се разпределят зарядите в проводник, когато тече ток. Надяваме се предоставената информация да е ясна и полезна за Вас!
Материали
