Как се разпределят зарядите в проводник, когато тече ток

Електрическият ток е насоченото движение на електрическите заряди. Проводниците се използват за пренос на електричество, главно метали. Пример за такъв материал е мед и алуминий, а на неметалите - графит. Токовият поток има една интересна особеност, а именно разпределението на зарядите в проводника над неговия обем. Ще разгледаме този въпрос в статията.

Зареждане на превозвачи и тяхното движение

Проводник е вещество, при 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 отменят взаимно. Разгледахме свързан проблем по-подробно и сравнихме проводници, диелектрици и полупроводници в статия, публикувана по-рано.

Помислете за метален предмет, който е в електрическо поле. Носителите на заряда започват да се движат под въздействието на външно поле поради факта, че кулоновите сили започват да действат върху носителите на заряда. Освен това посоката на действие на тези сили върху положителни и отрицателни носители е в различна посока. Движението спира, ако сумата от интензитетите на външните и вътрешните полета стане нула, тоест:

Erez = E вътрешен + E външен = 0

В този случай силата на полето е равна на:

E = dF / 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 се интегрираме, тоест:

Потенциал вътре в тялото

Положителните йони и електрони от целия обем на тялото се втурват към повърхността му, за да компенсират напрежението електрическо поле, Тогава вътре в проводника електрическото поле става равно на нула, тъй като се балансира от носители на заряд от неговата повърхност.

Интересно! Повърхност, върху която има един и същ потенциал във всички точки, се нарича еквипотенциал.

Ако разгледаме този въпрос по-подробно, 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 не бъдат разпределени и полето в проводника стане равно на нула. Такива такси се наричат ​​индуцирани или излишни.

Важно! Когато зарядите се предават на проводящия материал, те се разпределят така, че да се достигне състояние на равновесие. Същите заряди ще се отблъскват и клонят в съответствие с посоката на силовите линии на електрическото поле.

От това следва, че работата на движещите се носители на заряд е нула, което е равно на потенциалната разлика. Тогава потенциалът в различни части на проводника е равен на постоянно число и не се променя.Важно е да се знае, че в диелектрик, за да се откъсне носител на заряд, например, електрон от атом, трябва да се прилагат големи сили. Следователно описаните явления в общ смисъл се наблюдават върху проводими тела.

Електрически капацитет на единичен проводник

Първо, помислете за концепцията за единичен проводник. Това е проводник, който е отдалечен от другите заредени проводници и тела. Освен това потенциалът за него ще зависи от неговата такса.

Зависимостта на потенциала от заряд

Електрическият капацитет на самотния проводник е способността на проводник да държи разпределен заряд. На първо място, това зависи от формата на проводника.

Изчисляване на електрическия капацитет на единичен проводник

Ако две такива тела са разделени с диелектрик, например въздух, слюда, хартия, керамика и т.н. - вземете кондензатор. Капацитетът му зависи от разстоянието между плочите и тяхната площ, както и от потенциалната разлика между тях.

Зависимостта на капацитета от потенциалната разлика

Капацитет спрямо размера на кондензатора

Формулите описват зависимостта на капацитета от разликата в потенциала и от геометричните размери на плосък кондензатор. Научете повече за какво е електрически капацитет, можете от нашата отделна статия.

Разпределение на заряда и форма на тялото

Така че, плътността на разпределение на носителите на заряда зависи от формата на проводника. Обмислете това с примера на формули за сфера.

Разпределение на таксите в сфера

Да предположим, че имаме определена метална заредена сфера с радиус R, плътност на заряда на повърхността G и потенциал F. След това:

Зареден сферен потенциал

От последната получена формула можем да разберем, че плътността е приблизително обратно пропорционална на радиуса на сферата.

Разпределение на заряда в проводника

Тоест, колкото по-изпъкнал и остър е обектът, толкова по-голяма е плътността на носителите на това място. На вдлъбнати повърхности плътността е минимална. Това може да видите във видеото:

Практическо приложение

Ако вземете предвид горното, струва си да се отбележи, че токът протича през кабела и се разпределя, сякаш по външния диаметър на тръбата. Това се дължи на характеристиките на разпределението на електроните в проводящо тяло.

Любопитно е, че когато ток тече в системи с високочестотен ток, се наблюдава кожен ефект. Това е разпределението на зарядите по повърхността на проводниците. Но в този случай се наблюдава още по-тънък "проводящ" слой.

Какво означава това? Това предполага, че за потока на тока с подобна величина с мрежова честота 50 Hz и честота 50 kHz във високочестотна верига ще е необходимо по-голямо напречно сечение на проводимото ядро. На практика това се наблюдава при превключване на захранващи устройства. Точно такива токове текат в своите трансформатори. За да увеличите площта на напречното сечение, изберете или дебел проводник, или навиване на намотките с няколко вени наведнъж.

Намотки на трансформатори

Зависимостта на разпределението на плътността от формата на повърхността, описана в предишния раздел, се използва на практика в мълниезащитни системи. Известно е, че за да се предпази от повреда от мълния, е монтиран един от видовете мълниезащита, например мълниеносен. На повърхността му се натрупват заредени частици, поради което изхвърлянето става точно в него, което отново потвърждава казаното за тяхното разпределение.

Операция за защита от мълния

И накрая, препоръчваме да гледате видеоклип, в който с прости думи обяснява и ясно показва как се разпределят зарядите в проводника:

Това е всичко, което искахме да ви кажем за това как става разпределението на заряда в проводника, когато тече ток. Надяваме се, че предоставената информация беше разбираема и полезна за вас!

Свързани материали:

(3 гласа)
Зареждането ...

Добавете коментар

Задължителните полета са маркирани *