Konduktor dalam medan elektrik

Dalam wayar - dalam logam dan elektrolit terdapat pembawa caj. Dalam elektrolit ini adalah ion, dalam logam - elektron. Zarah bercas elektrik ini mampu bergerak mengelilingi seluruh isipadu konduktor di bawah pengaruh medan elektrostatik luaran. Elektron pengaliran dalam logam yang terhasil daripada pemeluwapan wap logam akibat perkongsian elektron valens adalah pembawa cas dalam logam.

Kekuatan dan potensi medan elektrik dalam konduktor

Dengan ketiadaan medan elektrik luaran, konduktor logam adalah neutral elektrik, kerana di dalamnya medan elektrostatik sepenuhnya dikompensasikan oleh caj negatif dan positif dalam jumlahnya.

Jika konduktor logam dimasukkan ke dalam medan elektrostatik luaran, maka elektron pengaliran di dalam konduktor akan mula mengagihkan semula, mereka akan mula bergerak dan bergerak supaya di mana-mana dalam isipadu konduktor medan ion positif dan medan pengaliran elektron akhirnya akan mengimbangi medan elektrostatik luaran.

Oleh itu, di dalam konduktor yang terletak dalam medan elektrostatik luaran, pada bila-bila masa kekuatan medan elektrik E akan menjadi sifar. Beza keupayaan di dalam konduktor juga akan menjadi sifar, iaitu, potensi di dalam akan menjadi malar. Iaitu, kita melihat bahawa pemalar dielektrik logam cenderung kepada infiniti.

Tetapi pada permukaan wayar, keamatan E akan diarahkan normal ke permukaan itu, kerana jika tidak komponen voltan yang diarahkan secara tangen ke permukaan wayar akan menyebabkan cas bergerak di sepanjang wayar, yang akan bercanggah dengan taburan statik sebenar. Di luar, di luar wayar, terdapat medan elektrik, yang bermaksud terdapat juga vektor E berserenjang dengan permukaan.

Akibatnya, dalam keadaan mantap, konduktor logam yang diletakkan dalam medan elektrik luaran akan mempunyai cas tanda bertentangan pada permukaannya, dan proses penubuhan ini mengambil masa nanosaat.

Perisai elektrostatik adalah berdasarkan prinsip bahawa medan elektrik luaran tidak menembusi konduktor. Daya medan elektrik luar E dikompensasikan oleh medan elektrik normal (berserenjang) pada permukaan konduktor En, dan daya tangen Et adalah sama dengan sifar. Ternyata konduktor dalam keadaan ini adalah sama sekali.

Pada mana-mana titik pada konduktor sedemikian φ = const, kerana dφ / dl = — E = 0. Permukaan konduktor juga adalah sama, kerana dφ / dl = — Et = 0. Potensi permukaan konduktor adalah sama. kepada potensi isipadunya. Caj tidak berbayar pada konduktor bercas, dalam keadaan sedemikian, hanya berada di permukaannya, di mana pembawa cas ditolak oleh daya Coulomb.

Menurut teorem Ostrogradsky-Gauss, jumlah caj q dalam isipadu konduktor adalah sifar, kerana E = 0.

Penentuan kekuatan medan elektrik berhampiran konduktor

Jika kita memilih kawasan dS permukaan wayar dan membina silinder di atasnya dengan penjana ketinggian dl berserenjang dengan permukaan, maka kita akan mempunyai dS '= dS' '= dS. Vektor kekuatan medan elektrik E adalah berserenjang dengan permukaan dan vektor anjakan elektrik D adalah berkadar dengan E, oleh itu fluks D melalui permukaan sisi silinder akan menjadi sifar.

Fluks vektor anjakan elektrik Фd melalui dS» juga adalah sifar, kerana dS» berada di dalam konduktor dan terdapat E = 0, oleh itu D = 0. Oleh itu, dFd melalui permukaan tertutup adalah sama dengan D melalui dS', dФd = Dn * dS. Sebaliknya, menurut teorem Ostrogradsky-Gauss: dФd = dq = σdS, di mana σ ialah ketumpatan cas permukaan pada dS. Daripada kesamaan sisi kanan persamaan ia mengikuti bahawa Dn = σ, dan kemudian En = Dn / εε0 = σ / εε0.

Kesimpulan: Kekuatan medan elektrik berhampiran permukaan konduktor bercas adalah berkadar terus dengan ketumpatan cas permukaan.

Pengesahan eksperimen pengedaran caj pada wayar

Di tempat yang mempunyai kekuatan medan elektrik yang berbeza, kelopak kertas akan menyimpang dengan cara yang berbeza. Pada permukaan jejari kelengkungan yang lebih kecil (1) - maksimum, pada permukaan sisi (2) - sama, di sini q = const, iaitu, caj diagihkan secara seragam.

Elektrometer, peranti untuk mengukur potensi dan cas pada wayar, akan menunjukkan bahawa cas pada hujung adalah maksimum, pada permukaan sisi adalah kurang, dan cas pada permukaan dalam (3) adalah sifar.Kekuatan medan elektrik di bahagian atas wayar yang dicas adalah paling besar.

Oleh kerana kekuatan medan elektrik E di hujung adalah tinggi, ini membawa kepada kebocoran cas dan pengionan udara, itulah sebabnya fenomena ini sering tidak diingini. Ion membawa cas elektrik daripada wayar dan kesan angin ion berlaku. Demonstrasi visual yang mencerminkan kesan ini: meniup nyalaan lilin dan roda Franklin. Ini adalah asas yang baik untuk membina motor elektrostatik.

Jika bola bercas logam menyentuh permukaan konduktor lain, maka cas akan dipindahkan sebahagian daripada bola ke konduktor dan potensi konduktor itu dan bola akan sama. Jika bola bersentuhan dengan permukaan dalam wayar berongga, maka semua cas daripada bola akan teragih sepenuhnya hanya pada permukaan luar wayar berongga.

Ini akan berlaku sama ada potensi bola lebih besar daripada wayar berongga atau kurang. Walaupun potensi bola sebelum sentuhan adalah kurang daripada potensi wayar berongga, cas daripada bola akan mengalir sepenuhnya, kerana apabila bola bergerak ke dalam rongga, penguji akan melakukan kerja untuk mengatasi daya tolakan, i.e. , potensi bola akan berkembang, tenaga potensi cas akan meningkat.

Akibatnya, cas akan mengalir dari potensi yang lebih tinggi ke potensi yang lebih rendah. Jika kita kini memindahkan bahagian caj seterusnya pada bola ke wayar berongga, maka lebih banyak kerja akan diperlukan. Eksperimen ini jelas mencerminkan hakikat bahawa potensi adalah ciri tenaga.

Robert Van De Graaf

Robert Van De Graaf (1901 - 1967) ialah seorang ahli fizik Amerika yang cemerlang. Pada tahun 1922Robert lulus dari Universiti Alabama, kemudian, dari 1929 hingga 1931, bekerja di Princeton University, dan dari 1931 hingga 1960 di Massachusetts Institute of Technology. Beliau memegang beberapa kertas penyelidikan mengenai teknologi nuklear dan pemecut, idea dan pelaksanaan pemecut ion tandem, dan ciptaan penjana elektrostatik voltan tinggi, penjana Van de Graaf.

Prinsip operasi penjana Van De Graaff agak mengingatkan eksperimen dengan pemindahan cas dari bola ke sfera berongga, seperti dalam eksperimen yang diterangkan di atas, tetapi di sini prosesnya adalah automatik.

Tali pinggang penghantar dicas secara positif menggunakan sumber DC voltan tinggi, kemudian caj dipindahkan dengan pergerakan tali pinggang ke bahagian dalam sfera logam yang besar, di mana ia dipindahkan dari hujung ke sana dan diedarkan pada permukaan sfera luar. Oleh itu potensi berkenaan dengan bumi diperolehi dalam berjuta-juta volt.

Pada masa ini, terdapat penjana pemecut van de Graaff, sebagai contoh, di Institut Penyelidikan Fizik Nuklear di Tomsk terdapat ESG jenis ini setiap juta volt, yang dipasang di menara yang berasingan.

Kapasiti elektrik dan kapasitor

Seperti yang dinyatakan di atas, apabila cas dipindahkan ke konduktor, potensi tertentu φ akan muncul pada permukaannya. Dan untuk wayar yang berbeza potensi ini akan berbeza, walaupun jumlah cas yang dipindahkan ke wayar adalah sama. Bergantung pada bentuk dan saiz wayar, potensi boleh berbeza, tetapi satu cara atau yang lain ia akan berkadar dengan cas dan cas akan berkadar dengan potensi.

Nisbah sisi dipanggil kapasiti, kapasiti atau hanya kapasiti (apabila jelas tersirat oleh konteks).

Kapasiti elektrik ialah kuantiti fizik yang secara berangka sama dengan cas yang mesti dilaporkan kepada konduktor untuk menukar potensinya dengan satu unit. Dalam sistem SI, kapasiti elektrik diukur dalam farad (kini «farad», dahulu «farad») dan 1F = 1C / 1V. Jadi, potensi permukaan konduktor sfera (bola) ialah φsh = q / 4πεε0R, oleh itu Csh = 4πεε0R.

Jika kita mengambil R sama dengan jejari Bumi, maka kapasitansi elektrik Bumi, sebagai konduktor tunggal, akan sama dengan 700 mikrofarad. Penting! Ini ialah kapasiti elektrik Bumi sebagai konduktor tunggal!

Jika anda membawa wayar lain ke satu wayar, maka disebabkan fenomena induksi elektrostatik, kapasiti elektrik wayar akan meningkat. Jadi, dua konduktor yang terletak berdekatan antara satu sama lain dan mewakili plat dipanggil kapasitor.

Apabila medan elektrostatik tertumpu di antara plat kapasitor, iaitu, di dalamnya, badan luaran tidak menjejaskan kapasiti elektriknya.

Kapasitor boleh didapati dalam kapasitor rata, silinder dan sfera. Oleh kerana medan elektrik tertumpu di dalam, di antara plat kapasitor, garisan anjakan elektrik, bermula dari plat bercas positif kapasitor, berakhir dengan plat bercas negatifnya. Oleh itu, cas pada plat adalah bertentangan dalam tanda tetapi sama magnitud. Dan kemuatan kapasitor C = q / (φ1-φ2) = q / U.

Formula untuk kemuatan kapasitor rata (contohnya)

Oleh kerana voltan medan elektrik E antara plat adalah sama dengan E = σ / εε0 = q / εε0S dan U = Ed, maka C = q / U = q / (qd / εε0S) = εε0S / d.

S ialah luas plat; q ialah cas pada kapasitor; σ ialah ketumpatan cas; ε ialah pemalar dielektrik dielektrik antara plat; ε0 ialah pemalar dielektrik vakum.

Tenaga kapasitor bercas

Dengan menutup plat kapasitor bercas bersama-sama dengan konduktor wayar, seseorang boleh memerhatikan arus yang boleh mempunyai kekuatan sedemikian untuk mencairkan wayar dengan serta-merta. Jelas sekali, kapasitor menyimpan tenaga. Apakah tenaga ini secara kuantitatif?

Jika kapasitor dicas dan kemudian dinyahcas, maka U' ialah nilai serta-merta voltan merentasi platnya. Apabila cas dq melepasi antara plat, kerja akan dilakukan dA = U'dq. Kerja ini secara berangka sama dengan kehilangan tenaga berpotensi, yang bermaksud dA = — dWc. Dan oleh kerana q = CU, maka dA = CU'dU ', dan jumlah kerja A = ∫ dA. Dengan menyepadukan ungkapan ini selepas menggantikan sebelumnya, kami memperoleh Wc = CU2/2.