Jak ładunki są rozdzielane w przewodniku, gdy płynie prąd
Nosiciele ładunków i ich ruch
Przewodnik jest substancją, w której nośniki zaczynają się poruszać pod wpływem najmniejszego zewnętrznego pola elektrycznego. Gdy nie ma pola zewnętrznego, pola jonów dodatnich i ujemnych elektronów się wzajemnie znoszą. Przeanalizowaliśmy pokrewną kwestię bardziej szczegółowo i porównaliśmy przewodniki, dielektryki i półprzewodniki w artykule opublikowanym wcześniej.
Rozważ metalowy przedmiot znajdujący się w polu elektrycznym. Nosiciele ładunku zaczynają się poruszać pod wpływem zewnętrznego pola, ponieważ siły kulombowskie zaczynają oddziaływać na nośniki ładunku. Ponadto kierunek działania tych sił na dodatnie i ujemne nośniki leży w innym kierunku. Ruch zatrzymuje się, jeśli suma natężeń pól zewnętrznych i wewnętrznych osiągnie zero, to znaczy:
Erez = E wewnętrzny + E zewnętrzny = 0
W takim przypadku siła pola jest równa:
E = dF / dt
Jeśli napięcie wynosi zero, wówczas potencjał wewnątrz ciała jest równy pewnej stałej liczbie. Stanie się to jasne, jeśli wyrażymy potencjał tej formuły i zintegrujemy, to znaczy:
Jony dodatnie i elektrony z całej objętości ciała pędzą na jego powierzchnię, aby skompensować napięcie pole elektryczne. Następnie wewnątrz przewodnika pole elektryczne staje się równe zeru, ponieważ jest ono równoważone przez nośniki ładunku z jego powierzchni.
Ciekawy! Powierzchnia, na której we wszystkich punktach występuje ten sam potencjał, nazywa się ekwipotencjalną.
Jeśli przyjrzymy się temu zagadnieniu bardziej szczegółowo, to kiedy przewodnik zostanie wprowadzony do pola elektrycznego, jony dodatnie poruszają się względem jego linii pola, a ujemne elektrony w tym samym kierunku. Dzieje się tak, dopóki nie zostaną rozdzielone, a pole w przewodniku stanie się równe zero. Takie opłaty nazywane są indukowanymi lub nadmiernymi.
Ważny! Gdy ładunki są przekazywane do materiału przewodzącego, są one rozmieszczane tak, aby osiągnąć stan równowagi. Te same ładunki odpychają się i kierują zgodnie z kierunkiem linii sił pola elektrycznego.
Wynika z tego, że praca ruchomych nośników ładunku wynosi zero, co jest równe różnicy potencjałów. Wtedy potencjał w różnych odcinkach przewodnika jest równy stałej liczbie i nie zmienia się.Ważne jest, aby wiedzieć, że w dielektryku, aby oderwać nośnik ładunku, na przykład elektron od atomu, należy zastosować wielkie siły. Dlatego opisane zjawiska w sensie ogólnym obserwuje się na ciałach przewodzących.
Pojemność elektryczna pojedynczego przewodu
Najpierw zastanów się nad koncepcją samotnego przewodnika. Jest to przewodnik, który jest oddalony od innych naładowanych przewodników i ciał. Co więcej, potencjał na nim będzie zależeć od jego ładunku.
Pojemność elektryczna pojedynczego przewodu to zdolność przewodu do utrzymywania rozproszonego ładunku. Przede wszystkim zależy to od kształtu przewodnika.
Jeśli dwa takie ciała są oddzielone dielektrykiem, na przykład powietrze, mika, papier, ceramika itp. - zdobądź kondensator. Jego pojemność zależy od odległości między płytami i ich powierzchni, a także od różnicy potencjałów między nimi.
Wzory opisują zależność pojemności od różnicy potencjałów i wymiarów geometrycznych płaskiego kondensatora. Dowiedz się więcej o co to jest pojemność elektryczna, możesz z naszego oddzielnego artykułu.
Rozkład ładunku i kształt ciała
Tak więc gęstość dystrybucji nośników ładunku zależy od kształtu przewodnika. Rozważ to na przykładzie wzorów dla kuli.
Załóżmy, że mamy pewną sferę naładowaną metalicznie o promieniu R, gęstości ładunku na powierzchni G i potencjale F. Następnie:
Z ostatniej pochodnej formuły możemy zrozumieć, że gęstość jest w przybliżeniu odwrotnie proporcjonalna do promienia kuli.
Oznacza to, że im bardziej wypukły i ostry obiekt, tym większa gęstość nośników w tym miejscu. Na powierzchniach wklęsłych gęstość jest minimalna. Można to zobaczyć na filmie:
Praktyczne zastosowanie
Jeśli weźmiemy pod uwagę powyższe, warto zauważyć, że prąd przepływa przez kabel i jest rozkładany, jakby przez zewnętrzną średnicę rury. Wynika to z właściwości rozkładu elektronów w ciele przewodzącym.
Ciekawe, że gdy prąd przepływa w systemach z prądem o wysokiej częstotliwości, obserwuje się efekt skórki. Jest to rozkład ładunków na powierzchni przewodów. Ale w tym przypadku obserwuje się jeszcze cieńszą „przewodzącą” warstwę.
Co to znaczy? Sugeruje to, że dla przepływu prądu o podobnej wielkości z częstotliwością sieci 50 Hz i częstotliwością 50 kHz w obwodzie wysokiej częstotliwości wymagany będzie większy przekrój rdzenia przewodzącego. W praktyce obserwuje się to przy przełączaniu zasilaczy. W ich transformatorach płyną właśnie takie prądy. Aby zwiększyć pole przekroju, wybierz gruby drut lub nawiń uzwojenie kilkoma żyłami jednocześnie.
Zależność rozkładu gęstości od kształtu powierzchni opisanego w poprzednim rozdziale jest stosowana w praktyce w systemach ochrony odgromowej. Wiadomo, że w celu ochrony przed uszkodzeniem odgromowym instalowany jest jeden z rodzajów ochrony odgromowej, na przykład piorunochron. Na jego powierzchni gromadzą się naładowane cząstki, dzięki czemu wyładowanie zachodzi właśnie w niej, co ponownie potwierdza to, co powiedziano o ich rozmieszczeniu.
Na koniec zalecamy obejrzenie filmu, w którym, w prostych słowach, wyjaśnia i wyraźnie pokazuje, w jaki sposób ładunki są rozmieszczone w przewodniku:
To wszystko, co chcieliśmy powiedzieć o tym, jak zachodzi rozkład ładunku w przewodniku podczas przepływu prądu. Mamy nadzieję, że podane informacje były dla Ciebie zrozumiałe i przydatne!
Powiązane materiały:
Ładowanie...
