Dirigenti su tijela u kojima električni naboji sposoban kretati pod utjecajem proizvoljno slabog elektrostatičkog polja.
Kao rezultat toga, naboj prenesen vodiču će se preraspodijeliti sve dok, u bilo kojoj točki unutar vodiča, napetost električno polje neće postati nula.
Dakle, jakost električnog polja unutar vodiča mora biti jednaka nuli.
Budući da , tada , φ=const
Potencijal unutar vodiča mora biti konstantan.
2.) Na površini nabijenog vodiča vektor intenziteta E mora biti usmjeren duž normale na ovu plohu, inače pod djelovanjem komponente tangente na površinu (E t). naboji bi se kretali duž površine vodiča.
Dakle, pod uvjetom statičke raspodjele naboja, napetost na površini
gdje je E n normalna komponenta napetosti.
Iz čega slijedi, 
da je kada su naboji u ravnoteži površina vodiča ekvipotencijalna.
3. U nabijenom vodiču nekompenzirani naboji nalaze se samo na površini vodiča.
Nacrtajmo proizvoljnu zatvorenu površinu S unutar vodiča, ograničavajući neki unutarnji volumen vodiča. Prema Gaussovom teoremu, ukupni naboj ovog volumena jednak je:
Dakle, u stanju ravnoteže unutar vodiča nema suvišnih 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 šuplji vodič na isti način kao i na čvrsti, t.j. duž njegove vanjske površine. Višak naboja ne može se nalaziti na unutarnjoj površini. To također proizlazi iz činjenice da se naboji istog imena međusobno odbijaju i stoga imaju tendenciju da se nalaze na najvećoj udaljenosti jedan od drugog.
Istražujući veličinu jakosti električnog polja u blizini površine nabijenih tijela različitih oblika, može se suditi i o raspodjeli naboja po površini.
Istraživanja su pokazala da je gustoća naboja pri danom potencijalu vodiča određena zakrivljenošću površine – raste s povećanjem pozitivne zakrivljenosti (konveksnost) i smanjuje se s povećanjem negativne zakrivljenosti (konkavnost). napojnica je posebno visoka. Jačina polja u blizini šiljaka može biti toliko visoka da dolazi do ionizacije molekula okolnog plina. U tom slučaju se naboj vodiča smanjuje, kao da teče s vrha.
Ako se električni naboj stavi 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 na vrijednost ograničenu fenomenom isticanja naboja iz vodiča. Ovaj princip je koristio Van der Graaff za izgradnju elektrostatičkog generatora. U ovom uređaju, naboj iz elektrostatičkog stroja prenosi se na beskrajnu nevodljivu traku, transportirajući je unutar velike metalne kugle. Tamo se naboj uklanja i prelazi na vanjsku površinu vodiča, tako da je moguće postupno prenijeti vrlo veliki naboj sferi i postići potencijalnu razliku od nekoliko milijuna volti.
Vodiči u vanjskom električnom polju.
U vodičima se mogu slobodno kretati ne samo naboji dovedeni 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 kretati prema njegovoj površini, pozitivni duž polja, a negativni u odnosu na polje. Zbog toga se na krajevima vodiča pojavljuju naboji suprotnog predznaka, tzv inducirani naboji. Ovaj fenomen, koji se sastoji u naelektriziranju nenabijenog vodiča u vanjskom elektrostatičkom polju odvajanjem pozitivnih i negativnih električnih naboja koji su u njemu već prisutni u jednakim količinama, naziva se elektrifikacija utjecajem ili elektrostatička indukcija.
 |
Kretanje naboja u vodiču smještenom u vanjsko električno polje E 0 događat će se sve dok dodatno polje E dodatno stvoreno indukcijskim nabojem ne kompenzira vanjsko polje E 0 u svim točkama unutar vodiča i rezultirajuće polje E unutar vodiča ne postane jednako na nulu.
Ukupno polje E u blizini vodiča značajno će se razlikovati od svoje izvorne vrijednosti E 0 . E-linije će biti okomite na površinu vodiča i djelomično će završiti na induciranim negativnim nabojima i ponovno početi na induciranim pozitivnim nabojima.
Naboji inducirani na vodiču nestaju kada se vodič ukloni iz električnog polja. Ako se inducirani naboji jednog znaka prethodno preusmjere na drugi vodič (na primjer, u zemlju) i ovaj se isključi, tada će prvi vodič ostati nabijen elektricitetom suprotnog predznaka.
Odsutnost polja unutar vodiča smještenog u električnom polju naširoko se koristi u tehnologiji za elektrostatičku zaštitu od vanjskih električnih polja (zaštita) raznih električnih uređaja i žica. Kada uređaj treba zaštititi od vanjskih polja, on je okružen vodljivim kućištem (ekranom). Takav zaslon dobro funkcionira čak i ako nije čvrst, već u obliku guste mreže.
Vodiči su tijela s visokom koncentracijom slobodnih nabijenih čestica koja se mogu kretati pod utjecajem električnog polja. Obavijestimo li vodič o nekom viškom naboja, tada će se slobodne nabijene čestice koje ga čine kretati (pozitivno - u područje s nižim potencijalom, negativno - obrnuto) sve dok potencijali u svim točkama vodiča ne postanu isti. U tom slučaju se postiže stanje kada je napetost unutar vodiča jednaka nuli, a na površini su vektori napetosti okomiti na njega. Ako izaberemo zatvorenu plohu unutar vodiča S, koji je vrlo blizu površine vodiča (slika 37.1), tada će, u skladu s Gaussovim teoremom, protok vektora intenziteta kroz ovu površinu biti nula. To znači da unutar njega nema naboja i sav višak naboja je raspoređen 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 njihovi potencijali isti u svim točkama. Potencijal prve lopte je 
, njegova površina. Izražavamo naboj i površinsku gustoću naboja na površini ove kuglice:
; 
.
Slični izrazi se dobivaju i za drugu loptu:
; 
.
Odvajajući izraze za gustoće naboja, nalazimo
Naboj koji se prenosi vodiču raspoređuje se po vanjskoj površini vodiča, dok je površinska gustoća naboja obrnuto proporcionalna polumjeru površine.
Recipročna vrijednost polumjera površine u danoj točki naziva se zakrivljenost površine. Gdje je polumjer manji, zakrivljenost površine je veća, i obrnuto. Na izbočinama i točkama zakrivljenost plohe je maksimalna, prema izrazu (37.1) i tamo će površinska gustoća naboja biti maksimalna.
Dakle, dolazimo do zaključka:
Sve točke unutar i na površini nabijenog vodiča imaju isti potencijal,
Sve tvari prema njihovoj sposobnosti provođenja struja dijele se na vodiče, dielektrike i poluvodiče. Vodiči su tvari u kojima se električno nabijene čestice – nositelji naboja – mogu slobodno kretati po cijelom volumenu tvari. U vodiče spadaju metali, otopine soli, kiselina i lužina, rastaljene soli, ionizirani plinovi.
Ograničimo naše razmatranje na čvrste metalne vodiče kristalne strukture. Eksperimenti pokazuju da se s vrlo malom razlikom potencijala primijenjenom na vodič, elektroni vodljivosti koji se nalaze u njemu počinju kretati i kretati se kroz volumen metala gotovo slobodno.
U nedostatku vanjskog elektrostatičkog polja, električna polja pozitivnih iona i elektrona vodljivosti međusobno se kompenziraju, tako da je jakost unutarnjeg rezultirajućeg polja nula.
Kada se metalni vodič uvede u vanjsko elektrostatičko polje jačine E 0, na ione i slobodne elektrone počinju djelovati Coulombove sile, usmjerene u suprotnim smjerovima. Te sile uzrokuju pomicanje nabijenih čestica unutar metala, a slobodni elektroni se uglavnom pomiču, a pozitivni ioni smješteni na čvorovima kristalne rešetke praktički ne mijenjaju svoj položaj. Kao rezultat, unutar vodiča se pojavljuje električno polje jačine E.
Pomicanje nabijenih čestica unutar vodiča prestaje kada ukupna jakost polja E u vodiču, jednaka zbroju jakosti vanjskog i unutarnjeg polja, postane jednaka nuli:
Izraz koji se odnosi na snagu i potencijal elektrostatičkog polja predstavimo u sljedećem obliku:
gdje je E jačina rezultirajućeg polja unutar vodiča; n je unutarnja normala na površinu vodiča. Iz jednakosti na nulu rezultirajuće snage 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 ekvipotencijalna.
- 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, budući da za bilo koju točku na površini
3. Vodiči u vanjskom elektrostatičkom polju
Ako se vodiču da višak naboja, tada će se taj naboj rasporediti po površini vodiča. Doista, ako je unutar vodiča izdvojena proizvoljna zatvorena površina S, tada tok vektora jakosti električnog polja kroz ovu površinu mora biti jednak nuli. Inače će unutar vodiča postojati električno polje, što će dovesti do kretanja naboja. Stoga, da bi se zadovoljio uvjet
ukupni električni naboj unutar ove proizvoljne površine mora biti jednak nuli.
Jačina električnog polja blizu površine nabijenog vodiča može se odrediti pomoću Gaussovog teorema. Da bismo to učinili, odabiremo malo proizvoljno područje dS na površini vodiča i, smatrajući ga bazom, na njemu konstruiramo cilindar s generatricom dl (slika 3.1). Na površini vodiča vektor E usmjeren je duž normale na ovu površinu. Dakle, tok vektora E kroz bočna površina cilindar zbog malenosti dl jednak je nuli. Protok ovog vektora kroz donju bazu cilindra, koji se nalazi unutar vodiča, također je jednak nuli, budući da 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 tok je jednak algebarski zbroj električni naboji prekriveni površinom cilindra, koji se odnose na umnožak električne konstante i relativne permitivnosti medija koji okružuje vodič. Unutar cilindra postoji punjenje
gdje je površinska gustoća naboja. Slijedom toga
tj. jakost električnog polja blizu površine nabijenog vodiča izravno je proporcionalna površinskoj gustoći električnih naboja koji se nalaze na ovoj 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 polumjer zakrivljenosti). ), veća je površinska gustoća naboja.
U blizini područja s malim polumjerima zakrivljenosti, osobito blizu vrha, zbog velike jakosti polja dolazi do ionizacije plina, na primjer, zraka. Kao rezultat toga, ioni istog imena s nabojem vodiča kreću se u smjeru od površine vodiča, a ioni suprotnog predznaka prema površini vodiča, što dovodi do smanjenja naboja vodiča . Taj se fenomen naziva odvod naboja. vodič električne struje statički
Na unutarnjim površinama zatvorenih šupljih vodiča nema viška naboja.
Ako se nabijeni vodič dovede u kontakt s vanjskom površinom nenabijenog vodiča, tada će se naboj preraspodijeliti između vodiča sve dok njihovi potencijali ne postanu jednaki.
Ako isti nabijeni vodič dodirne unutarnju površinu šupljeg vodiča, tada se naboj u potpunosti prenosi na šuplji vodič.
Ovu značajku šupljih vodiča koristio je američki fizičar Robert Van de Graaf za stvaranje 1931. godine. elektrostatički generator u kojem se mehaničkim prijenosom električnih naboja stvara visoki konstantni napon. Najnapredniji elektrostatički generatori omogućuju dobivanje napona do 15-20 MV.
Zaključno, napominjemo još jedan fenomen svojstven samo dirigentima. 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 razdvojeni dijelovi imati suprotne naboje. Taj se fenomen naziva elektrostatička indukcija.
1. Elektrostatika je grana fizike koja proučava svojstva i međudjelovanja relativno nepokretnih inercijski sustav brojeći električki nabijena tijela ili čestice koje imaju električni naboj.
Temelje elektrostatike postavio je Coulombov rad, iako je Cavendish dobio iste rezultate deset godina prije njega, čak i s još većom točnošću. Najvažniji dio elektrostatike je teorija potencijala koju su stvorili Green i Gauss.
2. Sve tvari prema sposobnosti provođenja električne struje dijele se na vodiče, dielektrike i poluvodiče. Vodiči su tvari u kojima se električno nabijene čestice – nositelji naboja – mogu slobodno kretati po cijelom volumenu tvari. U vodiče spadaju metali, otopine soli, kiselina i lužina, rastaljene soli, ionizirani plinovi.
U svim točkama unutar vodiča, jakost polja, tj. 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 kretati duž vodiča.
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 elektrostatičko polje proporcionalne su jakosti tog polja. Stoga se pod djelovanjem vanjskog polja naboji u vodiču preraspodijele 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 ovu površinu, inače bi se pod djelovanjem komponente vektora , tangentne na površinu vodiča, naboji kretali duž vodiča. To je suprotno njihovoj statičkoj distribuciji. Na ovaj način:
1. Na svim točkama unutar vodiča, iu svim točkama na njegovoj površini,.
2. Cijeli volumen vodiča u elektrostatičkom 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 svojoj površini i konstruiramo cilindar visine na njemu s generatricom okomito na područje , s bazama i , paralelno s . Na površini vodiča i blizu nje vektori i su okomiti na ovu površinu, a vektorski tok kroz bočnu površinu cilindra jednak je nuli. Protok električnog pomaka kroz njega je također jednak nuli, budući da leži unutar vodiča i na svim njegovim točkama.
Protok pomaka 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 elementu površine vodiča. Zatim
I od .
Dakle, ako nabijeni vodič stvara elektrostatičko polje, tada je intenzitet tog polja na površini vodiča izravno proporcionalan 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 zakrivljenost. gustoća naboja; nema suvišnih naboja na unutarnjim površinama zatvorenih šupljih vodiča i .
Velika jakost polja u blizini oštrog izbočina na nabijenom vodiču dovodi do električnog vjetra. U jakom električnom polju blizu vrha, pozitivni ioni prisutni u zraku kreću se velikom brzinom, sudaraju se s molekulama zraka i ioniziraju ih. Pojavljuje se sve veći broj pokretnih iona koji tvore električni vjetar. Zbog jake ionizacije zraka u blizini vrha brzo gubi električni naboj. Stoga, kako bi se očuvao naboj na vodičima, nastoje da njihove površine nemaju oštre izbočine.
1.3.2.VODIČ U VANJSKOM ELEKTRIČNOM POLJU
Ako se nenabijeni vodič unese u vanjsko elektrostatičko polje, tada će se pod utjecajem električnih sila u njemu kretati slobodni elektroni u smjeru suprotan smjer jačina polja. Kao rezultat toga, na dva suprotna kraja vodiča pojavit će se suprotni naboji: negativan na kraju gdje ima viška elektrona, a pozitivan na onom gdje nema dovoljno elektrona. Ti se naboji nazivaju induciranim. Pojava koja se sastoji u naelektriziranju nenabijenog vodiča u vanjskom električnom polju razdvajanjem pozitivnih i negativnih električnih naboja koji su u njemu već prisutni u jednakim količinama naziva se naelektriziranje utjecajem ili elektrostatička indukcija. Ukloni li se vodič iz polja, inducirani naboji nestaju.
Inducirani naboji su raspoređeni po vanjskoj površini vodiča. Ako unutar vodiča postoji šupljina, onda na ujednačena raspodjela polje induciranih naboja unutar njega je nula. To je osnova elektrostatičke zaštite. Kada uređaj treba biti zaštićen (oklopljen) od vanjskih polja, okružen je vodljivim zaslonom. Vanjsko polje se unutar zaslona kompenzira induciranim nabojima koji nastaju na njegovoj površini.
1.3.3 ELEKTRIČNI KAPACITET UAMJENOG PROVODNIKA
Razmotrimo vodič koji se nalazi u homogenom mediju daleko od drugih vodiča. Takav se dirigent naziva usamljeni. Kada se električna energija prenese na ovaj vodič, njegovi se naboji preraspodijele. Priroda ove preraspodjele ovisi o obliku vodiča. Svaki novi dio naboji su raspoređeni po površini vodiča kao i prethodni, pa s povećanjem naboja vodiča za isti broj puta, površinska gustoća naboja raste u bilo kojoj točki na njegovoj površini, gdje je neka funkcija koordinate razmatrane točke na površini.
Površinu vodiča dijelimo na beskonačno male elemente, naboj svakog takvog elementa je jednak i može se smatrati točkom. Potencijal polja naboja u točki udaljenoj od nje jednak je:
Potencijal u proizvoljnoj točki elektrostatičkog polja formiranog od zatvorene površine vodiča jednak je integralu:
Za točku koja leži na površini vodiča, funkcija je koordinata ove točke i elementa . U ovom 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) može se vidjeti 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 tom vodiču mora prenijeti 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 raspodjela naboja na njima također slična, a udaljenosti od sličnih naboja do odgovarajućih točaka polja izravno su proporcionalne linearnim dimenzijama. od dirigenta.
Potencijal elektrostatičkog polja kojeg 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 izravno proporcionalan.
Iz izraza (1.3.2) može se vidjeti da je kapacitet izravno proporcionalan dielektričnoj konstanti medija. Ni materijal vodiča, ni njegovo agregacijsko 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
Razmislite o vodiču u blizini kojeg se nalaze 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 vodiču prenese naboj, okolni vodiči se nabijaju utjecajem, a naboji suprotnog predznaka najbliži su inducirajućem naboju. Ovi naboji donekle slabe polje koje stvara naboj. Tako snižavaju potencijal vodiča i povećavaju njegov električni kapacitet (1.3.2).
Razmotrimo sustav sastavljen od blisko raspoređenih vodiča čiji su naboji brojčano jednaki, ali suprotnog predznaka. Označimo razliku potencijala između vodiča, apsolutna vrijednost naboja je jednaka . Ako su vodiči udaljeni od drugih nabijenih tijela, onda
gdje je međusobni električni kapacitet dva vodiča:
- brojčano je jednak naboju koji se mora 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 relativnom položaju, kao i o dielektričnoj konstanti medija. Za homogeno okruženje.
Ako se jedan od vodiča ukloni, tada se razlika potencijala povećava, a međusobna kapacitivnost se smanjuje, težeći vrijednosti kapaciteta usamljenog vodiča.
Smatrati dva suprotno nabijena vodiča čiji oblik i međusobni dogovor su takvi da je polje koje stvaraju koncentrirano u ograničenom području prostora. Takav sustav naziva se kondenzator.
1. Ravni kondenzator ima dvije paralelne metalne ploče čija je površina međusobno udaljena (1.3.3). Ploča naplaćuje i . Ako su linearne dimenzije ploča velike u usporedbi s udaljenosti, tada se elektrostatičko polje između ploča može smatrati ekvivalentnim polju između dvije beskonačne ravnine nabijene suprotno s površinskim gustoćama naboja i , jakost polja , razlika potencijala između ploča, tada , gdje je permitivnost medija koji ispunjava kondenzator .
2. Kuglasti kondenzator sastoji se od metalne kuglice polumjera okružene koncentričnom šupljom metalnom kuglom 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 Leydenska posuda. Ako je razmak između ploča kondenzatora mali, tada i , gdje je bočna površina ploče.
Na ovaj način, Kapacitet bilo kojeg kondenzatora proporcionalan je permitivnosti tvari koja ispunjava prazninu između ploča.
Osim električnog kapaciteta, kondenzator karakterizira probojni napon. To je razlika potencijala između ploča, pri kojoj može doći do sloma.
1.3.5. VEZE KONDENZATORA
1. Paralelna veza. Razmotrimo bateriju kondenzatora spojenih istoimenim pločama (slika 1.3.6). Kapacitivnosti kondenzatora su respektivno jednake. Razlike potencijala za sve kondenzatore su iste, pa 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 metali. Primjer takvog materijala je 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 kretanje
Provodnik je tvar u kojoj se nosači počinju kretati pod utjecajem najmanjeg vanjskog električnog polja. Kada nema vanjskog polja, polja pozitivnih iona i negativnih elektrona međusobno se poništavaju. Razmotrili smo srodno pitanje detaljnije i usporedili ga u ranije objavljenom članku.
Razmotrimo metalni predmet koji je u električnom polju. Nosači naboja počinju se kretati pod utjecajem vanjskog polja zbog činjenice da na nositelje naboja počinju djelovati Coulombove sile. Štoviše, na pozitivnim i negativnim nosiocima smjer djelovanja ovih sila leži u drugom smjeru. Kretanje se zaustavlja ako zbroj jakosti vanjskog i unutarnjeg polja postane jednak nuli, odnosno:
Erez=Eint+Eext=0
U ovom slučaju, jačina 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, odnosno:
Pozitivni ioni i elektroni iz cijelog volumena tijela hrle na njegovu površinu kako bi nadoknadili napetost. Tada, unutar vodiča, jakost električnog polja postaje jednaka nuli, budući da je uravnotežena nositeljima naboja s njegove površine.
Zanimljiv! Površina na kojoj je isti potencijal prisutan u svim točkama naziva se ekvipotencijalna površina.
Ako ovo pitanje razmotrimo detaljnije, onda kada se vodič uvede u električno polje, pozitivni ioni se kreću protiv njegovih linija sile, a negativni elektroni u istom smjeru. To se događa sve dok se ne rasporede, a polje u vodiču ne postane nula. Takvi se naboji nazivaju inducirani ili ekscesni.
Važno! Kada se naboji prenesu na vodljivi materijal, oni će se rasporediti tako da se postigne stanje ravnoteže. Naboji istog imena će se odbijati i težiti u skladu sa smjerom linija električnog polja.
Iz toga slijedi da je rad pokretnih nositelja naboja jednak nuli, što je jednako razlici potencijala. Tada je potencijal u različitim dijelovima vodiča jednak konstantnom broju i ne mijenja se. Važno je znati da u dielektriku, kako biste otkinuli nosač naboja, na primjer, elektron s atoma, morate primijeniti velike sile. Stoga se na vodljivim tijelima promatraju fenomeni opisani u općem smislu.
Električni kapacitet usamljenog vodiča
Prvo, razmotrite koncept usamljenog vodiča. Ovo je takav vodič, koji je uklonjen od drugih nabijenih vodiča i tijela. U ovom slučaju, potencijal na njemu ovisit će o njegovom naboju.
Kapacitet usamljenog vodiča je sposobnost vodiča da zadrži distribuirani naboj. Prije svega, to ovisi o obliku vodiča.
Ako su dva takva tijela razdvojena dielektrikom, na primjer zrak, liskun, papir, keramika itd. - nabavi kondenzator. Njegov kapacitet ovisi o udaljenosti između ploča i njihove površine, kao i o razlici potencijala između njih.
Formule opisuju ovisnost kapacitivnosti o razlici potencijala i o geometrijskim dimenzijama ravnog kondenzatora. Više o tome možete saznati iz našeg zasebnog članka.
Raspodjela naboja i oblik tijela
Dakle, gustoća raspodjele nositelja naboja ovisi o obliku vodiča. Razmotrite to na primjeru formula za kuglu.
Pretpostavimo da imamo neku metalnu nabijenu kuglu, polumjera R, gustoće naboja na površini G i potencijala F. Tada:
Iz posljednje izvedene formule može se razumjeti da je gustoća približno obrnuto proporcionalna polumjeru kugle.
To jest, što je predmet 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 kožni efekt. To je raspodjela naboja po površini vodiča. Ali u ovom slučaju se opaža još tanji "vodljivi" sloj.
Što to znači? To sugerira da će za protok struje slične veličine s frekvencijom mreže od 50 Hz i frekvencijom od 50 kHz u visokofrekventnom krugu biti potreban veći dio vodljive jezgre. U praksi se to opaža kod prekidača napajanja. U njihovim transformatorima teku upravo takve struje. Za povećanje površine poprečnog presjeka odabire se ili debela žica ili se namoti 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 postavlja jedna od vrsta zaštite od munje, na primjer, gromobran. Na njezinoj se površini nakupljaju nabijene čestice, zbog čega se pražnjenje događa upravo u njoj, što opet potvrđuje 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 dostavljene informacije bile jasne i korisne za vas!
materijala
