Розподіл зарядів у провіднику: коротке пояснення з відео

Електричним струмом називають спрямований рух електричних зарядів. Для передачі електроенергії використовують провідники, в основному це метали. Прикладом такого матеріалу є мідь і алюміній, а з неметалів – графіт. У перебігу струму є одна цікава особливість, а саме – розподіл зарядів в провіднику по його об’єму. Це питання ми і розглянемо в статті.

Носії зарядів і їх рух

Провідник – це речовина, в якому носії починають переміщатися під впливом найменшого зовнішнього електричного поля. Коли зовнішнє поле відсутнє, поля позитивних іонів і негативних електронів компенсують один одного. Детальніше ми розглядали суміжний питання і порівнювали провідники, діелектрики і напівпровідники в статті, опублікованій раніше.

Розглянемо металевий предмет, який знаходиться в електричному полі. Переміщатися під впливом зовнішнього поля носії зарядів починають через те, що починають діяти кулонівських сили на носії заряду. Причому на позитивні і негативні носії напрям дії цих сил лежить в різному напрямку. Рух припиняється в тому випадку, якщо сума напруженостей зовнішнього і внутрішнього полів стане дорівнює нулю, тобто:

Eрез = Eвнутр + Eвнеш = 0

При цьому напруженість поля дорівнює:

E = dФ / dt

Якщо напруженість дорівнює нулю, то потенціал всередині тіла дорівнює якомусь постійному числу. Це стане ясно, якщо висловити з цієї формули потенціал і зробити інтегрування, тобто:

Позитивні іони і електрони з усього обсягу тіла спрямовуються до його поверхні, щоб компенсувати напруженість електричного поля. Тоді всередині провідника напруженість електричного поля стає рівною нулю, так як воно врівноважується носіями зарядів з його поверхні.

Цікаво! Поверхня, на якій у всіх точках присутній однаковий потенціал, називають еквіпотенційної.

Якщо розглянути це питання докладніше, то коли провідник вносять в електричне поле, позитивні іони рухаються проти його силових ліній, а негативні електрони в тому ж напрямку. Це відбувається до тих пір, поки вони не розподіляться, а поле в провіднику не стане рівним нулю. Такі заряди називають індукованими або надмірними.

Важливо! При повідомленні зарядів проводить матеріалу вони розподіляться так, щоб було досягнуто стан рівноваги. Однойменні заряди будуть відштовхуватися і прагне відповідно до напряму силових ліній електричного поля.

Звідси випливає, що робота по переміщенню носіїв зарядів дорівнює нулю, що дорівнює різниці потенціалів. Тоді і потенціал в різних ділянках провідника дорівнює постійному числу і не змінюється. Важливо знати, що в діелектрику щоб відірвати носій заряду, наприклад електрон від атома, потрібно докласти великих сили. Тому сповна в загальному сенсі спостерігаються на провідних тілах.

Електроємність відокремленого провідника

Для початку розглянемо поняття відокремлений провідник. Це такий провідник, який віддалений від інших заряджених провідників і тел. При цьому потенціал на ньому буде залежати від його заряду.

Електроємність відокремленого провідника – це здатність провідника утримувати розподілений заряд. В першу чергу, вона залежить від форми провідника.

Якщо два таких тіла розділити діелектриком, наприклад, повітрям, слюдою, папером, керамікою і т.д. – вийде конденсатор. Його ємність залежить від відстані між обкладинками та їх площі, а також від різниці потенціалів між ними.

Формули описують залежність ємності від різниці потенціалів і від геометричних розмірів плоского конденсатора. Детальніше дізнатися про те, що таке електрична ємність, ви можете з нашої окремої статті.

Розподіл зарядів і форма тіла

Отже, щільність розподілу носіїв зарядів залежить від форми провідника. Розглянемо це на прикладі формул для сфери.

Припустимо, що у нас є якась металева заряджена сфера, з радіусом R, щільністю зарядів на поверхні G і потенціалом Ф. Тоді:

З останньої виведеної формули можна зрозуміти, що густина приблизно обернено пропорційна радіусу сфери.

Тобто, чим більше опуклий і гострий предмет, тим більша в цьому місці щільність носіїв. На увігнутих же поверхнях щільність мінімальна. Це можна спостерігати на відео:

Застосування на практиці

Якщо взяти до уваги вищесказане, то варто відзначити, що струм по кабелю протікає і розподіляється, немов по зовнішньому діаметру труби. Це викликано особливостями розподілу електронів в провідному тілі.

Цікаво, що при протіканні струмів в системах зі струмом високої частоти спостерігається скін-ефект. Це і є розподіл зарядів по поверхні провідників. Але в цьому випадку спостерігається ще більш тонкий «провідний» шар.

Що це означає? Це говорить про те, що для протікання струму аналогічної величини з мережевою частотою в 50 Гц і з частотою 50 кГц в високочастотної ланцюга потрібно більший перетин струмопровідної жили. На практиці це спостерігають у імпульсних блоках харчування. В їх трансформаторах якраз такі струми і протікають. Для збільшення площі перетину або вибирають товстий провід, або мотають обмотки декількома жилками відразу.

Описана в попередньому розділі залежність розподілу щільності від форми поверхні на практиці використовується в системах захисту від блискавок. Відомо, що для захисту від ураження блискавкою встановлюють один з видів блискавкозахисту, наприклад громовідвід. На його поверхні скупчуються заряджені частинки, завдяки чому розряд відбувається саме в нього, що знову ж таки підтверджує сказане про їх розподіл.

Наостанок рекомендуємо переглянути відео, на якому простими словами пояснюється і наочно показується, як розподіляються заряди в провіднику:

Це все, що ми хотіли розповісти вам з приводу того, як відбувається розподіл зарядів в провіднику при протіканні струму. Сподіваємося, надана інформація була для вас зрозумілою і корисною!

Ссылка на основную публикацию