Vadītāji elektriskajā laukā

Vados - metālos un elektrolītos ir lādiņnesēji. Elektrolītos tie ir joni, metālos - elektroni. Šīs elektriski lādētās daļiņas ārējā elektrostatiskā lauka ietekmē spēj pārvietoties pa visu vadītāja tilpumu. Vadīšanas elektroni metālos, kas rodas metāla tvaiku kondensācijas rezultātā valences elektronu koplietošanas dēļ, ir metālu lādiņu nesēji.

Elektriskā lauka stiprums un potenciāls vadītājā

Ja nav ārējā elektriskā lauka, metāla vadītājs ir elektriski neitrāls, jo tā iekšpusē elektrostatisko lauku pilnībā kompensē negatīvie un pozitīvie lādiņi tā tilpumā.

Ja metāla vadītājs tiek ievadīts ārējā elektrostatiskajā laukā, vadīšanas elektroni vadītāja iekšpusē sāks pārdalīties, tie sāks kustēties un kustēties tā, lai visur vadītāja tilpumā būtu pozitīvo jonu lauks un vadītspējas lauks. elektroni galu galā kompensēs ārējo elektrostatisko lauku.

Tādējādi vadītāja iekšpusē, kas atrodas ārējā elektrostatiskā laukā, jebkurā punktā elektriskā lauka stiprums E būs nulle. Potenciālā starpība vadītāja iekšpusē arī būs nulle, tas ir, potenciāls iekšpusē kļūs nemainīgs. Tas ir, mēs redzam, ka metāla dielektriskā konstante ir tendence uz bezgalību.

Bet uz stieples virsmas intensitāte E tiks vērsta normāli pret šo virsmu, jo pretējā gadījumā sprieguma komponente, kas ir vērsta tangenciāli stieples virsmai, izraisītu lādiņu kustību pa vadu, kas būtu pretrunā ar reālo, statisko sadalījumu. Ārpusē, ārpus stieples, ir elektriskais lauks, kas nozīmē, ka ir arī vektors E, kas ir perpendikulārs virsmai.

Rezultātā līdzsvara stāvoklī ārējā elektriskajā laukā novietotam metāla vadītājam uz virsmas būs pretējas zīmes lādiņš, un šīs izveidošanās process aizņem nanosekundes.

Elektrostatiskā ekranēšana balstās uz principu, ka ārējais elektriskais lauks neiekļūst vadītājā. Ārējā elektriskā lauka E spēku kompensē normālais (perpendikulārais) elektriskais lauks uz vadītāja En virsmas, un tangenciālais spēks Et ir vienāds ar nulli. Izrādās, ka diriģents šajā situācijā ir pilnībā ekvipotenciāls.

Jebkurā punktā uz šāda vadītāja φ = const, jo dφ / dl = — E = 0. Vadītāja virsma arī ir ekvipotenciāls, jo dφ / dl = — Et = 0. Vadītāja virsmas potenciāls ir vienāds tā apjoma potenciālu. Uzlādētā vadītāja nekompensētie lādiņi šādā situācijā atrodas tikai tā virsmā, kur lādiņnesējus atgrūž Kulona spēki.

Saskaņā ar Ostrogradska-Gausa teorēmu kopējais lādiņš q vadītāja tilpumā ir nulle, jo E = 0.

Elektriskā lauka stipruma noteikšana pie vadītāja

Ja izvēlēsimies stieples virsmas laukumu dS un uz tā uzbūvēsim cilindru ar dl augstuma ģeneratoriem, kas ir perpendikulāri virsmai, tad iegūsim dS '= dS' '= dS. Elektriskā lauka intensitātes vektors E ir perpendikulārs virsmai un elektriskā nobīdes vektors D ir proporcionāls E, tāpēc plūsma D caur cilindra sānu virsmu būs nulle.

Elektriskā pārvietojuma vektora Фd plūsma caur dS» arī ir nulle, jo dS» atrodas vadītāja iekšpusē un tur E = 0, tātad D = 0. Tāpēc dFd caur slēgto virsmu ir vienāds ar D caur dS', dФd = Dn * dS. No otras puses, saskaņā ar Ostrogradska-Gausa teorēmu: dФd = dq = σdS, kur σ ir virsmas lādiņa blīvums uz dS. No vienādojumu labo pušu vienādības izriet, ka Dn = σ, un tad En = Dn / εε0 = σ / εε0.

Secinājums: elektriskā lauka stiprums lādēta vadītāja virsmas tuvumā ir tieši proporcionāls virsmas lādiņa blīvumam.

Eksperimentāla lādiņa sadalījuma pārbaude uz vada

Vietās ar atšķirīgu elektriskā lauka stiprumu papīra ziedlapiņas atšķirsies dažādos veidos. Uz mazāka izliekuma rādiusa virsmas (1) - maksimālais, uz sānu virsmas (2) - tas pats, šeit q = const, tas ir, lādiņš ir vienmērīgi sadalīts.

Elektrometrs, ierīce potenciāla un stieples lādiņa mērīšanai, parādītu, ka lādiņš galā ir maksimālais, sānu virsmā tas ir mazāks, bet iekšējās virsmas (3) lādiņš ir nulle.Vislielākais ir elektriskā lauka stiprums uzlādētā vada augšpusē.

Tā kā elektriskā lauka stiprums E galos ir augsts, tas izraisa lādiņa noplūdi un gaisa jonizāciju, tāpēc šī parādība bieži vien ir nevēlama. Joni pārnēsā elektrisko lādiņu no stieples, un rodas jonu vēja efekts. Vizuāli demonstrējumi, kas atspoguļo šo efektu: sveces liesmas nopūšana un Franklina ritenis. Tas ir labs pamats elektrostatiskā motora izveidei.

Ja metāla lādēta lode pieskaras cita vadītāja virsmai, tad lādiņš daļēji tiks pārnests no lodītes uz vadītāju un šī vadītāja un lodītes potenciāli izlīdzināsies. Ja bumba saskaras ar dobās stieples iekšējo virsmu, tad viss lodītes lādiņš tiks pilnībā sadalīts tikai uz dobās stieples ārējo virsmu.

Tas notiks neatkarīgi no tā, vai lodītes potenciāls ir lielāks par dobās stieples potenciālu vai mazāks. Pat ja lodītes potenciāls pirms saskares ir mazāks par dobās stieples potenciālu, lādiņš no lodītes izplūdīs pilnībā, jo, lodei virzoties dobumā, eksperimentētājs veiks darbu, lai pārvarētu atgrūdošos spēkus, t.i. , pieaugs bumbiņas potenciāls, palielināsies lādiņa potenciālā enerģija.

Rezultātā lādiņš plūdīs no augstāka potenciāla uz zemāku. Ja tagad nākamo lodītes lādiņa daļu pārnesim uz dobo stiepli, tad būs jāstrādā vēl vairāk. Šis eksperiments skaidri atspoguļo faktu, ka potenciāls ir enerģijas raksturlielums.

Roberts van de Grāfs

Roberts Van De Grāfs (1901-1967) bija izcils amerikāņu fiziķis. 1922. gadāRoberts absolvējis Alabamas universitāti, vēlāk, no 1929. līdz 1931. gadam, strādājis Prinstonas universitātē, bet no 1931. līdz 1960. gadam Masačūsetsas Tehnoloģiju institūtā. Viņam ir vairāki pētnieciskie darbi par kodoltehnoloģiju un paātrinātāju, tandēma jonu paātrinātāja ideju un ieviešanu, kā arī augstsprieguma elektrostatiskā ģeneratora — Van de Grāfa ģeneratora — izgudrojumu.

Van De Graaff ģeneratora darbības princips nedaudz atgādina eksperimentu ar lādiņa pārnešanu no lodītes uz dobu sfēru, kā tas ir iepriekš aprakstītajā eksperimentā, taču šeit process ir automatizēts.

Konveijera lente tiek pozitīvi uzlādēta, izmantojot augstsprieguma līdzstrāvas avotu, pēc tam lādiņš ar lentes kustību tiek pārnests lielas metāla sfēras iekšpusē, kur tas tiek pārnests no gala uz to un sadalīts pa ārējo sfērisko virsmu. Tādējādi potenciāli attiecībā pret zemi tiek iegūti miljonos voltu.

Šobrīd ir van de Grāfa akseleratora ģeneratori, piemēram, Tomskas Kodolfizikas pētniecības institūtā ir šāda veida ESG uz miljonu voltu, kas uzstādīts atsevišķā tornī.

Elektriskā jauda un kondensatori

Kā minēts iepriekš, kad lādiņš tiek pārnests uz vadītāju, uz tā virsmas parādīsies noteikts potenciāls φ. Un dažādiem vadiem šis potenciāls atšķirsies, pat ja vadiem nodotā ​​lādiņa summa ir vienāda. Atkarībā no stieples formas un izmēra potenciāls var būt dažāds, taču tā vai citādi tas būs proporcionāls lādiņam un lādiņš būs proporcionāls potenciālam.

Pušu attiecību sauc par ietilpību, kapacitāti vai vienkārši ietilpību (ja to skaidri norāda konteksts).

Elektriskā kapacitāte ir fizisks lielums, kas ir skaitliski vienāds ar lādiņu, kas jāpaziņo vadītājam, lai mainītu tā potenciālu par vienu vienību. SI sistēmā elektriskā jauda tiek mērīta farādos (tagad "farad", agrāk "farad") un 1F = 1C / 1V. Tātad sfēriska vadītāja (bumbiņas) virsmas potenciāls ir φsh = q / 4πεε0R, tātad Csh = 4πεε0R.

Ja ņemam R vienādu ar Zemes rādiusu, tad Zemes kā viena vadītāja elektriskā kapacitāte būs vienāda ar 700 mikrofaradiem. Svarīgs! Tā ir Zemes kā viena vadītāja elektriskā kapacitāte!

Ja pie viena vada pievedat citu vadu, tad elektrostatiskās indukcijas fenomena dēļ stieples elektriskā jauda palielināsies. Tātad divus vadītājus, kas atrodas tuvu viens otram un attēlo plāksnes, sauc par kondensatoru.

Kad elektrostatiskais lauks ir koncentrēts starp kondensatora plāksnēm, tas ir, tā iekšpusē, ārējie ķermeņi neietekmē tā elektrisko kapacitāti.

Kondensatori ir pieejami plakanos, cilindriskos un sfēriskos kondensatoros. Tā kā elektriskais lauks ir koncentrēts iekšpusē, starp kondensatora plāksnēm, elektriskās nobīdes līnijas, sākot no kondensatora pozitīvi lādētās plāksnes, beidzas tā negatīvi lādētajā plāksnē. Tāpēc lādiņiem uz plāksnēm ir pretēja zīme, bet vienāda lieluma. Un kondensatora kapacitāte C = q / (φ1-φ2) = q / U.

Plakana kondensatora kapacitātes formula (piemēram)

Tā kā elektriskā lauka E spriegums starp plāksnēm ir vienāds ar E = σ / εε0 = q / εε0S un U = Ed, tad C = q / U = q / (qd / εε0S) = εε0S / d.

S ir plākšņu laukums; q ir kondensatora lādiņš; σ ir lādiņa blīvums; ε ir dielektriskā dielektriskā konstante starp plāksnēm; ε0 ir vakuuma dielektriskā konstante.

Uzlādēta kondensatora enerģija

Noslēdzot uzlādēta kondensatora plāksnes kopā ar stieples vadītāju, var novērot strāvu, kas var būt tik stipra, lai vads nekavējoties izkausētu. Acīmredzot kondensators uzglabā enerģiju. Kāda ir šī enerģija kvantitatīvi?

Ja kondensators ir uzlādēts un pēc tam izlādējies, tad U' ir sprieguma momentānā vērtība tā plāksnēs. Kad lādiņš dq iziet starp plāksnēm, tiks veikts darbs dA = U'dq. Šis darbs ir skaitliski vienāds ar potenciālās enerģijas zudumu, kas nozīmē dA = — dWc. Un tā kā q = CU, tad dA = CU'dU ' un kopējais darbs A = ∫ dA. Integrējot šo izteiksmi pēc iepriekšējas aizstāšanas, mēs iegūstam Wc = CU2/2.