Provodnici su tijela u kojima električni naboji sposobni kretati se pod utjecajem proizvoljno slabih elektrostatičko polje.
Kao rezultat toga, naboj dodijeljen vodiču će se redistribuirati sve dok, u bilo kojoj točki unutar vodiča, jakost električnog polja ne postane nula.
Dakle, jakost električnog polja unutar vodiča mora biti jednaka nuli.
Kako je , onda je φ=const
Potencijal unutar vodiča mora biti konstantan.
2.) Na površini nabijenog vodiča vektor intenziteta E mora biti usmjeren po normali na tu površinu, inače pod djelovanjem komponente tangente na površinu (E t). naboji bi se kretali po površini vodiča.
Dakle, pod uvjetom statičke raspodjele naboja, napetost na površini
gdje je E n normalna komponenta napetosti.
Iz čega slijedi, 
da kada su naboji u ravnoteži, površina vodiča je ekvipotencijalna.
3. U nabijenom vodiču nekompenzirani naboji nalaze se samo na površini vodiča.
Nacrtajmo unutar vodiča proizvoljnu zatvorenu površinu S koja ograničava neki unutarnji volumen vodiča. Prema Gaussovom teoremu, ukupni naboj ovog volumena jednak je:
Dakle, u stanju ravnoteže unutar vodiča nema viška naboja. Stoga, ako uklonimo tvar iz određenog volumena uzetog unutar vodiča, to ni na koji način neće utjecati na ravnotežni raspored naboja. Dakle, višak naboja se raspoređuje na šupljem vodiču na isti način kao i na čvrstom, tj. duž njegove vanjske površine. Višak naboja ne može se locirati na unutarnjoj površini. To također proizlazi iz činjenice da se istoimeni naboji međusobno odbijaju i stoga nastoje biti smješteni na što većoj udaljenosti jedan od drugog.
Istražujući veličinu jakosti električnog polja u blizini površine nabijenih tijela različitih oblika, može se prosuditi i raspodjela naboja po površini.
Istraživanja su pokazala da je gustoća naboja pri određenom potencijalu vodiča određena zakrivljenošću površine - ona raste s povećanjem pozitivne zakrivljenosti (konveksnost) i smanjuje se s povećanjem negativne zakrivljenosti (konkavnost). napojnice su posebno visoke. Jačina polja u blizini šiljaka može biti tolika da dolazi do ionizacije molekula okolnog plina. U tom se slučaju naboj vodiča smanjuje, kao da teče s vrha.
Ako se električni naboj postavi na unutarnju površinu šupljeg vodiča, tada će se taj naboj prenijeti na vanjsku površinu vodiča, povećavajući potencijal potonjeg. Uzastopnim ponavljanjem prijenosa na šuplji vodič moguće je značajno povećati njegov potencijal do vrijednosti ograničene pojavom odvođenja naboja iz vodiča. Ovo je načelo upotrijebio Van der Graaff za izgradnju elektrostatskog generatora. U ovom uređaju, naboj iz elektrostatičkog stroja prenosi se na beskonačnu nevodljivu traku, transportirajući je unutar velike metalne kugle. Tamo se naboj uklanja i prenosi na vanjsku površinu vodiča, tako da je moguće postupno prenijeti vrlo veliki naboj na kuglu i postići potencijalnu razliku od nekoliko milijuna volti.
Vodiči u vanjskom električnom polju.
U vodičima se ne mogu slobodno kretati samo naboji doneseni izvana, već i naboji koji čine atome i molekule vodiča (elektroni i ioni). Stoga, kada se nenabijeni vodič stavi u vanjsko električno polje, slobodni naboji će se pomaknuti na njegovu površinu, pozitivni duž polja, a negativni protiv polja. Kao rezultat toga, na krajevima vodiča pojavljuju se naboji suprotnog predznaka, tzv inducirani naboji. Ova pojava, koja se sastoji od elektrizacije nenabijenog vodiča u vanjskom elektrostatskom polju odvajanjem pozitivnih i negativnih električnih naboja koji su već prisutni u njemu u jednakim količinama, naziva se elektrifikacija putem utjecaja ili elektrostatičke indukcije.
 |
Kretanje naboja u vodiču postavljenom u vanjsko električno polje E 0 događat će se sve dok dodatno polje E dodatno stvoreno indukcijskim nabojima ne kompenzira vanjsko polje E 0 u svim točkama unutar vodiča i rezultirajuće polje E unutar vodiča postane jednako na nulu.
Ukupno polje E u blizini vodiča značajno će se razlikovati od svoje izvorne vrijednosti E 0 . Linije E bit će okomite na površinu vodiča i djelomično će završavati kod induciranog negativnog naboja i ponovno započeti kod induciranog pozitivnog naboja.
Naboji inducirani na vodiču nestaju kada se vodič odvoji od električnog polja. Ako se inducirani naboji jednog znaka prethodno preusmjere na drugi vodič (na primjer, na zemlju) i potonji se isključi, tada će prvi vodič ostati nabijen elektricitetom suprotnog predznaka.
Odsutnost polja unutar vodiča koji se nalazi u električnom polju naširoko se koristi u tehnici za elektrostatičku zaštitu od vanjskih električnih polja (shielding) raznih električnih uređaja i žica. Kada uređaj treba zaštititi od vanjskih polja, on se okružuje vodljivim kućištem (zaslonom). Takav zaslon dobro funkcionira čak i ako nije čvrst, već u obliku guste mreže.
Vodiči su tijela s velikom koncentracijom slobodnih nabijenih čestica koje se mogu kretati pod utjecajem električnog polja. Ako vodiču priopćimo neki višak naboja, tada će se slobodne nabijene čestice koje ga čine kretati (pozitivno - u područje s nižim potencijalom, negativno - obrnuto) sve dok se potencijali u svim točkama vodiča ne izjednače. U tom slučaju se postiže stanje kada je napetost unutar vodiča jednaka nuli, a na površini su vektori napetosti okomiti na nju. Odaberemo li zatvorenu plohu unutar vodiča S, koji je vrlo blizu površine vodiča (sl. 37.1), tada će, u skladu s Gaussovim teoremom, tok vektora intenziteta kroz ovu površinu biti nula. To znači da unutar njega nema naboja i da se sav višak naboja raspoređuje po vanjskoj površini vodiča. Otkrijmo o čemu ovisi površinska gustoća naboja.
Da biste to učinili, razmotrite dvije metalne kuglice povezane tankom žicom (slika 37.2). Kuglice i žica čine jedan vodič i stoga su im potencijali isti u svim točkama. Potencijal na prvu loptu je 
, njegovu površinu. Izražavamo naboj i površinsku gustoću naboja na površini ove lopte:
; 
.
Slični izrazi dobivaju se za drugu loptu:
; 
.
Razdvajanjem izraza za gustoće naboja nalazimo
Naboj priopćen vodiču raspoređen je po vanjskoj površini vodiča, dok je površinska gustoća naboja obrnuto proporcionalna polumjeru površine.
Recipročna vrijednost radijusa površine u određenoj točki naziva se zakrivljenost površine. Gdje je radijus manji, zakrivljenost površine je veća i obrnuto. Na izbočinama i točkama, zakrivljenost površine je najveća, prema izrazu (37.1), gustoća površinskog naboja će također biti maksimalna.
Dakle, dolazimo do zaključka:
Sve točke unutar i na površini nabijenog vodiča imaju isti potencijal,
Sve tvari prema njihovoj sposobnosti vodljivosti struja dijele se na vodiče, dielektrike i poluvodiče. Vodiči su tvari u kojima se električki nabijene čestice - nositelji naboja - mogu slobodno kretati po cijelom volumenu tvari. Vodiči uključuju metale, otopine soli, kiseline i lužine, rastaljene soli, ionizirane plinove.
Ograničimo naše razmatranje na čvrste metalne vodiče koji imaju kristalnu strukturu. Eksperimenti pokazuju da se s vrlo malom razlikom potencijala primijenjenom na vodič, elektroni vodljivosti sadržani u njemu počinju kretati i kretati se kroz volumen metala gotovo slobodno.
U nedostatku vanjskog elektrostatskog polja, električna polja pozitivnih iona i elektrona vodljivosti su međusobno kompenzirana, tako da je jakost unutarnjeg rezultirajućeg polja jednaka nuli.
Kada se metalni vodič uvede u vanjsko elektrostatsko polje jakosti E 0, Coulombove sile počinju djelovati na ione i slobodne elektrone, usmjerene u suprotnim smjerovima. Ove sile uzrokuju pomicanje nabijenih čestica unutar metala, a slobodni elektroni se uglavnom pomiču, a pozitivni ioni smješteni u čvorovima kristalne rešetke praktički ne mijenjaju svoj položaj. Kao rezultat, unutar vodiča se pojavljuje električno polje jakosti E ".
Pomicanje nabijenih čestica unutar vodiča prestaje kada ukupna jakost polja E u vodiču, jednaka zbroju jakosti vanjskog i unutarnjeg polja, postane jednaka nuli:
Predstavimo izraz koji povezuje jakost i potencijal elektrostatičkog polja u sljedećem obliku:
gdje je E jakost rezultirajućeg polja unutar vodiča; n je unutarnja normala na površinu vodiča. Iz jednakosti nuli rezultirajuće jakosti E slijedi da unutar volumena vodiča potencijal ima istu vrijednost:
Dobiveni rezultati dovode do tri važna zaključka:
- 1. U svim točkama unutar vodiča jakost polja, tj. cijeli volumen vodiča je ekvipotencijalan.
- 2. Uz statičku raspodjelu naboja po vodiču, vektor intenziteta Ena njegove površine mora biti usmjeren duž normale na površinu
3. Površina vodiča je također ekvipotencijalna jer za bilo koju točku na površini
3. Vodiči u vanjskom elektrostatskom polju
Ako se vodiču da višak naboja, tada će se taj naboj rasporediti po površini vodiča. Doista, ako se unutar vodiča izdvoji proizvoljna zatvorena površina S, tada tok vektora jakosti električnog polja kroz tu površinu mora biti jednak nuli. Inače će unutar vodiča postojati električno polje, što će dovesti do kretanja naboja. Dakle, da bi se zadovoljio uvjet
ukupni električni naboj unutar ove proizvoljne površine mora biti jednak nuli.
Jakost električnog polja u blizini površine nabijenog vodiča može se odrediti pomoću Gaussovog teorema. Da bismo to učinili, odaberemo malo proizvoljno područje dS na površini vodiča i, smatrajući ga bazom, konstruiramo na njemu cilindar s generatrisom dl (slika 3.1). Na površini vodiča vektor E usmjeren je duž normale na tu površinu. Prema tome, protok vektora E kroz bočna površina cilindar zbog malenosti dl jednak nuli. Protok ovog vektora kroz donju bazu cilindra, koji se nalazi unutar vodiča, također je jednak nuli, jer unutar vodiča nema električnog polja. Dakle, protok vektora E kroz cijelu površinu cilindra jednak je protoku kroz njegovu gornju bazu dS ":
gdje je E n projekcija vektora jakosti električnog polja na vanjsku normalu n na mjesto dS.
Prema Gaussovom teoremu, ovaj protok je jednak algebarski zbroj električni naboji prekriveni površinom cilindra, odnose se na umnožak električne konstante i relativne permitivnosti medija koji okružuje vodič. Unutar cilindra postoji naboj
gdje je površinska gustoća naboja. Stoga
tj. jakost električnog polja u blizini površine nabijenog vodiča izravno je proporcionalna površinskoj gustoći električnih naboja koji se nalaze na toj površini.
Eksperimentalna istraživanja raspodjele viška naboja na vodičima različitih oblika pokazala su da raspodjela naboja na vanjskoj površini vodiča ovisi samo o obliku površine: što je veća zakrivljenost površine (manji je radijus zakrivljenosti). ), veća je gustoća površinskog naboja.
U blizini područja s malim polumjerima zakrivljenosti, posebno u blizini vrha, zbog velike jakosti polja dolazi do ionizacije plina, na primjer, zraka. Zbog toga se istoimeni ioni s nabojem vodiča kreću u smjeru od površine vodiča, a ioni suprotnog predznaka prema površini vodiča, što dovodi do smanjenja naboja vodiča. . Taj se fenomen naziva odvod naboja. provodnik električne struje statički
Na unutarnjim površinama zatvorenih šupljih vodiča nema viška naboja.
Ako se nabijeni vodič dovede u dodir s vanjskom površinom nenabijenog vodiča, tada će se naboj redistribuirati između vodiča sve dok im se potencijali ne izjednače.
Ako isti nabijeni vodič dodirne unutarnju površinu šupljeg vodiča, tada se naboj u potpunosti prenosi na šuplji vodič.
Ovu značajku šupljih vodiča iskoristio je američki fizičar Robert Van de Graaf za stvaranje 1931. elektrostatski generator u kojem mehaničkim prijenosom električnih naboja nastaje visok istosmjerni napon. Najnapredniji elektrostatički generatori omogućuju postizanje napona do 15-20 MV.
Zaključno, bilježimo još jedan fenomen svojstven samo vodičima. Ako se nenabijeni vodič stavi u vanjsko električno polje, tada će njegovi suprotni dijelovi u smjeru polja imati naboje suprotnih predznaka. Ako se, bez uklanjanja vanjskog polja, vodič podijeli, tada će odvojeni dijelovi imati suprotne naboje. Taj se fenomen naziva elektrostatička indukcija.
1. Elektrostatika je grana fizike koja proučava svojstva i interakcije relativno nepokretnih inercijski sustav brojanje električki nabijenih tijela ili čestica koje imaju električni naboj.
Temelje elektrostatike postavio je Coulombov rad, iako je Cavendish deset godina prije njega dobio iste rezultate, čak i s još većom točnošću. Najvažniji dio elektrostatike je teorija potencijala koju su stvorili Green i Gauss.
2. Sve se tvari prema sposobnosti provođenja električne struje dijele na vodiče, dielektrike i poluvodiče. Vodiči su tvari u kojima se električki nabijene čestice - nositelji naboja - mogu slobodno kretati po cijelom volumenu tvari. Vodiči uključuju metale, otopine soli, kiseline i lužine, rastaljene soli, ionizirane plinove.
U svim točkama unutar vodiča jakost polja, odnosno cijeli volumen vodiča, je ekvipotencijalna.
Uz statičku raspodjelu naboja po vodiču, vektor intenziteta Ena njegove površine mora biti usmjeren duž normale na površinu
inače se pod djelovanjem tangente na površinu vodiča komponente intenziteta naboja moraju gibati po vodiču.
Površina vodiča je također ekvipotencijalna, jer za bilo koju točku na površini
U vodičima se električni naboji mogu slobodno kretati pod djelovanjem polja. Sile koje djeluju na slobodne elektrone metalnog vodiča smještenog u vanjsko elektrostatsko polje proporcionalne su jakosti tog polja. Stoga se pod djelovanjem vanjskog polja naboji u vodiču preraspodjeljuju tako da je jakost polja u bilo kojoj točki unutar vodiča jednaka nuli.
Na površini nabijenog vodiča vektor intenziteta mora biti usmjeren duž normale na tu površinu, inače bi se pod djelovanjem komponente vektora, tangente na površinu vodiča, naboji kretali duž vodiča. To je suprotno njihovoj statičkoj distribuciji. Tako:
1. Na svim točkama unutar vodiča i na svim točkama na njegovoj površini,.
2. Cijeli volumen vodiča u elektrostatskom polju je ekvipotencijalan u bilo kojoj točki unutar vodiča:
Površina vodiča je također ekvipotencijalna, jer za bilo koju liniju površine
3. U nabijenom vodiču nekompenzirani naboji nalaze se samo na površini vodiča. Doista, nacrtajmo proizvoljnu zatvorenu površinu unutar vodiča, ograničavajući neki unutarnji volumen vodiča (slika 1.3.1). Tada je, prema Gaussovom teoremu, ukupni naboj ovog volumena:
budući da u točkama površine koje se nalaze unutar vodiča nema polja.
Odredimo jakost polja nabijenog vodiča. Da bismo to učinili, odabiremo proizvoljno malo područje na njegovoj površini i na njemu konstruiramo visinski cilindar s generatriksom okomitom na područje , s bazama i , paralelnim s . Na površini vodiča i blizu nje vektori i su okomiti na tu površinu, a vektorski tok kroz bočnu površinu cilindra jednak je nuli. Teći električni pomak kroz također je jednak nuli, budući da leži unutar vodiča, i to u svim njegovim točkama .
Potisni tok kroz cijelu zatvorenu površinu cilindra jednak je protoku kroz gornju bazu:
Prema Gaussovom teoremu ovaj tok jednak je zbroju naboji pokriveni površinom:
gdje je površinska gustoća naboja na površinskom elementu vodiča. Zatim
I od .
Dakle, ako elektrostatsko polje stvara nabijeni vodič, tada je jakost tog polja na površini vodiča izravno proporcionalna površinskoj gustoći naboja u njemu.
Istraživanja raspodjele naboja na vodičima različitih oblika koji se nalaze u homogenom dielektriku daleko od drugih tijela pokazala su da raspodjela naboja na vanjskoj površini vodiča ovisi samo o njegovom obliku: što je veća zakrivljenost površine, to je veća gustoća naboja; nema viška naboja na unutarnjim površinama zatvorenih šupljih vodiča i .
Velika jakost polja u blizini oštre izbočine na nabijenom vodiču dovodi do električnog vjetra. U jakom električnom polju u blizini vrha, pozitivni ioni prisutni u zraku kreću se velikom brzinom, sudarajući se s molekulama zraka i ionizirajući ih. Pojavljuje se sve veći broj pokretnih iona, tvoreći električni vjetar. Zbog jake ionizacije zraka u blizini vrha, brzo gubi svoj električni naboj. Stoga, kako bi se očuvao naboj na vodičima, oni nastoje da njihove površine nemaju oštre izbočine.
1.3.2 VODIČ U VANJSKOM ELEKTRIČNOM POLJU
Ako se nenabijeni vodič uvede u vanjsko elektrostatsko polje, tada će se pod utjecajem električnih sila u njemu kretati slobodni elektroni u smjeru suprotan smjer jakost polja. Zbog toga će se na dva suprotna kraja vodiča pojaviti suprotni naboji: negativni na kraju gdje ima viška elektrona, a pozitivni na onom gdje nema dovoljno elektrona. Ti se naboji nazivaju inducirani. Fenomen koji se sastoji od elektrifikacije nenabijenog vodiča u vanjskom električnom polju odvajanjem na tom vodiču pozitivnih i negativnih električnih naboja koji su već prisutni u njemu u jednakim količinama naziva se elektrizacija utjecajem ili elektrostatička indukcija. Ako se vodič ukloni iz polja, inducirani naboji nestaju.
Inducirani naboji se raspoređuju po vanjskoj površini vodiča. Ako postoji šupljina unutar vodiča, tada na jednolika raspodjela polje induciranih naboja unutar njega je nula. Ovo je osnova elektrostatičke zaštite. Kada uređaj treba zaštititi (zaštititi) od vanjskih polja, on je okružen vodljivim zaslonom. Vanjsko polje kompenzira se unutar ekrana induciranim nabojima koji nastaju na njegovoj površini.
1.3.3. ELEKTRIČNI KAPACITET SAMOSTALNOG VODIČA
Zamislite vodič koji se nalazi u homogenom mediju daleko od drugih vodiča. Takav se vodič naziva usamljenim. Kada se električna energija prenese na ovaj vodič, njegovi se naboji redistribuiraju. Priroda te preraspodjele ovisi o obliku vodiča. Svaki novi dio naboji su raspoređeni po površini vodiča kao i prethodni, dakle, s povećanjem naboja vodiča za isti faktor, površinska gustoća naboja raste u bilo kojoj točki njegove površine, gdje je neka funkcija koordinata razmatranu površinsku točku.
Površinu vodiča dijelimo na infinitezimalne elemente, naboj svakog takvog elementa je jednak i može se smatrati točkom. Potencijal polja naboja u točki udaljenoj od njega jednak je:
Potencijal u proizvoljnoj točki elektrostatskog polja kojeg tvori zatvorena površina vodiča jednak je integralu:
Za točku koja leži na površini vodiča, je funkcija koordinata te točke i elementa . U tom slučaju integral ovisi samo o veličini i obliku površine vodiča. U ovom slučaju, za sve točke vodiča, potencijal je isti, stoga su vrijednosti iste.
Vjeruje se da je potencijal nenabijenog usamljenog vodiča jednak nuli.
Iz formule (1.3.1) vidljivo je da je potencijal usamljenog vodiča izravno proporcionalan njegovom naboju. Omjer se naziva električni kapacitet
Električni kapacitet usamljenog vodiča brojčano je jednak električnom naboju koji se mora prenijeti na ovaj vodič da bi se potencijal vodiča promijenio za jedan. Električni kapacitet vodiča ovisi o njegovom obliku i veličini, a geometrijski slični vodiči imaju proporcionalne kapacitete, budući da je i raspodjela naboja na njima slična, a udaljenosti od sličnih naboja do odgovarajućih točaka polja izravno su proporcionalne linearnim dimenzijama od provodnika.
Potencijal elektrostatskog polja koji stvara svaki točkasti naboj obrnuto je proporcionalan udaljenosti od tog naboja. Dakle, potencijali jednako nabijenih i geometrijski sličnih vodiča mijenjaju se obrnuto proporcionalno njihovim linearnim dimenzijama, a kapacitet tih vodiča je proporcionalan.
Iz izraza (1.3.2) vidljivo je da je kapacitet izravno proporcionalan dielektričnoj konstanti medija. Ni materijal vodiča, ni njegovo agregatno stanje, ni oblik i veličina mogućih šupljina unutar vodiča ne ovise o njegovom kapacitetu. To je zbog činjenice da se višak naboja raspoređuje samo na vanjskoj površini vodiča. također ne ovisi o i .
Jedinice kapaciteta: - farad, izveden iz njega; .
Kapacitet Zemlje kao vodljive lopte () jednak je.
1.3.4. MEĐUSOBNI ELEKTRIČNI KAPACITET. KONDENZATORI
Razmotrimo vodič, u blizini kojeg postoje drugi vodiči. Ovaj se vodič više ne može smatrati usamljenim, njegov će kapacitet biti veći od kapaciteta usamljenog vodiča. To je zbog činjenice da kada se naboj prenese na vodič, okolni vodiči se naelektrišu utjecajem, a naboji suprotnog predznaka najbliži su induciranom naboju. Ovi naboji donekle oslabljuju polje koje stvara naboj. Time snižavaju potencijal vodiča i povećavaju njegov električni kapacitet (1.3.2).
Razmotrimo sustav sastavljen od blisko razmaknutih vodiča čiji su naboji numerički jednaki, ali suprotnog predznaka. Označimo razliku potencijala između vodiča, apsolutna vrijednost naboja je jednak . Ako su vodiči udaljeni od drugih nabijenih tijela, tada
gdje je međusobni električni kapacitet dva vodiča:
- brojčano je jednak naboju koji treba prenijeti s jednog vodiča na drugi da bi se razlika potencijala među njima promijenila za jedan.
Međusobni kapacitet dva vodiča ovisi o njihovom obliku, veličini i međusobnom položaju, kao i o dielektričnoj konstanti medija. Za homogenu okolinu.
Ako se jedan od vodiča ukloni, tada se razlika potencijala povećava, a međusobni kapacitet smanjuje, težeći vrijednosti kapacitivnosti usamljenog vodiča.
Smatrati dva suprotno nabijena vodiča čiji oblik i međusobni dogovor su takve da je polje koje stvaraju koncentrirano u ograničenom području prostora. Takav sustav nazivamo kondenzator.
1. Ravni kondenzator ima dvije paralelne metalne ploče s površinom koja se nalazi na međusobnoj udaljenosti (1.3.3). Pločasti naboji i . Ako su linearne dimenzije ploča velike u usporedbi s udaljenošću , tada se elektrostatsko polje između ploča može smatrati ekvivalentnim polju između dviju beskonačnih ravnina suprotno nabijenih s površinskim gustoćama naboja i , jakost polja , razlika potencijala između ploča, tada , gdje je permitivnost medija koji puni kondenzator .
2. Sferni kondenzator sastoji se od metalne kuglice polumjera okružene koncentričnom šupljom metalnom kuglicom polumjera , (slika 1.3.4). Izvan kondenzatora, polja koja stvaraju unutarnja i vanjska ploča međusobno se poništavaju. Polje između ploča stvara samo naboj kuglice, budući da naboj kuglice ne stvara električno polje unutar te kuglice. Dakle, razlika potencijala između ploča: , tada
Primjer cilindričnog kondenzatora je Leydenova posuda. Ako je razmak između ploča kondenzatora mali, tada i , gdje je bočna površina ploče.
Tako, kapacitet svakog kondenzatora proporcionalan je permitivnosti tvari koja ispunjava prazninu između ploča.
Osim električnog kapaciteta, kondenzator karakterizira probojni napon. To je potencijalna razlika između ploča, pri kojoj može doći do kvara.
1.3.5. SPOJEVI KONDENZATORA
1. Paralelna veza. Razmotrimo bateriju kondenzatora povezanih istoimenim pločama (slika 1.3.6). Kapacitivnosti kondenzatora su redom jednake. Razlike potencijala za sve kondenzatore su iste, tako da su naboji na pločama uvijek manji od minimalnog električnog kapaciteta uključenog u bateriju.
Električna struja je usmjereno kretanje električnih naboja. Za prijenos električne energije koriste se vodiči, uglavnom metalni. Primjer takvog materijala su bakar i aluminij, a od nemetala - grafit. Protok struje ima jedan zanimljiva značajka, naime, raspodjela naboja u vodiču po njegovom volumenu. Razmotrit ćemo ovo pitanje u članku.
Nosači naboja i njihovo gibanje
Vodič je tvar u kojoj se nosači počinju kretati pod utjecajem najmanjeg vanjskog električnog polja. Kada nema vanjskog polja, polja pozitivnih iona i negativnih elektrona se međusobno poništavaju. Detaljnije smo razmotrili povezano pitanje i usporedili ga u ranije objavljenom članku.
Razmotrimo metalni predmet koji se nalazi u električnom polju. Nositelji naboja počinju se kretati pod utjecajem vanjskog polja zbog činjenice da Coulombove sile počinju djelovati na nositelje naboja. Štoviše, na pozitivne i negativne nosače, smjer djelovanja ovih sila leži u drugom smjeru. Gibanje se zaustavlja ako zbroj jakosti vanjskog i unutarnjeg polja postane jednak nuli, odnosno:
Erez=Eint+Eext=0
U ovom slučaju, jakost polja je jednaka:
E=dF/dt
Ako je napetost nula, tada je potencijal unutar tijela jednak nekom konstantnom broju. To će postati jasno ako izrazimo potencijal iz ove formule i izvršimo integraciju, tj.
Pozitivni ioni i elektroni iz cijelog volumena tijela hrle na njegovu površinu kako bi kompenzirali napetost. Tada unutar vodiča jakost električnog polja postaje jednaka nuli, budući da je uravnotežena nositeljima naboja s njegove površine.
Zanimljiv! Površina na kojoj je u svim točkama prisutan isti potencijal naziva se ekvipotencijalna površina.
Ako detaljnije razmotrimo ovo pitanje, tada kada se vodič uvede u električno polje, pozitivni ioni se kreću protiv njegovih linija sile, a negativni elektroni u istom smjeru. To se događa dok se ne raspodijele i polje u vodiču ne postane nula. Takvi se naboji nazivaju inducirani ili ekscesni.
Važno! Kada se naboji dodijele vodljivom materijalu, oni će se rasporediti tako da se postigne stanje ravnoteže. Istoimeni naboji će se odbijati i težiti u skladu sa smjerom linija električnog polja.
Iz toga proizlazi da je rad pomicanja nositelja naboja jednak nuli, što je jednako razlici potencijala. Tada je potencijal u različitim dijelovima vodiča jednak stalnom broju i ne mijenja se. Važno je znati da u dielektriku, kako bi se otkinuo nositelj naboja, na primjer, elektron iz atoma, morate primijeniti velike sile. Stoga se opisane pojave u općem smislu promatraju na vodljivim tijelima.
Električni kapacitet usamljenog vodiča
Prvo, razmotrite koncept usamljenog vodiča. Ovo je takav vodič, koji je odstranjen od drugih nabijenih vodiča i tijela. U ovom slučaju, potencijal na njemu ovisit će o njegovom naboju.
Kapacitet usamljenog vodiča je sposobnost vodiča da drži raspodijeljeni naboj. Prije svega, to ovisi o obliku vodiča.
Ako su dva takva tijela odvojena dielektrikom, npr. zrak, tinjac, papir, keramika itd. - nabavite kondenzator. Njegov kapacitet ovisi o udaljenosti između ploča i njihovoj površini, kao i o razlici potencijala između njih.
Formule opisuju ovisnost kapaciteta o razlici potencijala io geometrijskim dimenzijama ravnog kondenzatora. Više o tome možete saznati iz našeg zasebnog članka.
Raspodjela naboja i oblik tijela
Dakle, gustoća distribucije nositelja naboja ovisi o obliku vodiča. Razmotrite ovo na primjeru formula za sferu.
Pretpostavimo da imamo neku metalnu nabijenu kuglu polumjera R, gustoću naboja na površini G i potencijal F. Tada:
Iz posljednje izvedene formule može se razumjeti da je gustoća približno obrnuto proporcionalna polumjeru kugle.
To jest, što je objekt konveksniji i oštriji, to je veća gustoća nosača na ovom mjestu. Na konkavnim površinama gustoća je minimalna. To se može vidjeti na videu:
Primjena u praksi
Ako uzmemo u obzir gore navedeno, vrijedi napomenuti da struja teče kroz kabel i raspoređuje se, kao da je duž vanjskog promjera cijevi. To je zbog osobitosti raspodjele elektrona u vodljivom tijelu.
Zanimljivo je da kada struje teku u sustavima s visokofrekventnom strujom, opaža se skin efekt. To je raspodjela naboja po površini vodiča. Ali u ovom slučaju uočava se još tanji "vodljivi" sloj.
Što to znači? To sugerira da će za protok struje slične veličine s mrežnom frekvencijom od 50 Hz i frekvencijom od 50 kHz u visokofrekventnom krugu biti potreban veći dio vodljive jezgre. U praksi se to uočava kod sklopnih izvora napajanja. U njihovim transformatorima teku upravo takve struje. Da bi se povećala površina presjeka, odabire se debela žica ili se namotaji namotaju s nekoliko vena odjednom.
Ovisnost raspodjele gustoće o obliku površine opisana u prethodnom odjeljku koristi se u praksi u sustavima zaštite od munje. Poznato je da se za zaštitu od udara groma ugrađuje jedna od vrsta zaštite od groma, na primjer, gromobran. Na njezinoj se površini nakupljaju nabijene čestice, zbog čega dolazi do pražnjenja upravo u njoj, što još jednom potvrđuje ono što je rečeno o njihovoj raspodjeli.
To je sve što smo vam htjeli reći o tome kako dolazi do raspodjele naboja u vodiču kada teče struja. Nadamo se da su vam pružene informacije bile jasne i korisne!
materijala
