Mga konduktor sa isang electric field

Sa mga wire - sa mga metal at electrolyte mayroong mga carrier ng singil. Sa mga electrolyte ito ay mga ions, sa mga metal - mga electron. Ang mga electrically charged na particle na ito ay nakakagalaw sa buong volume ng conductor sa ilalim ng impluwensya ng isang panlabas na electrostatic field. Ang mga electron ng pagpapadaloy sa mga metal na nagreresulta mula sa paghalay ng mga singaw ng metal dahil sa pagbabahagi ng mga valence electron ay mga tagadala ng singil sa mga metal.

Ang lakas at potensyal ng electric field sa konduktor

Sa kawalan ng panlabas na patlang ng kuryente, ang isang metal na konduktor ay neutral sa kuryente, dahil sa loob nito ang electrostatic field ay ganap na nabayaran ng mga negatibo at positibong singil sa dami nito.

Kung ang isang metal na konduktor ay ipinakilala sa isang panlabas na electrostatic na patlang, kung gayon ang mga electron ng pagpapadaloy sa loob ng konduktor ay magsisimulang muling ipamahagi, sila ay magsisimulang gumalaw at lumipat upang saanman sa dami ng konduktor ang larangan ng mga positibong ion at ang larangan ng pagpapadaloy. Ang mga electron ay babayaran sa kalaunan para sa panlabas na electrostatic field.

Kaya, sa loob ng isang konduktor na matatagpuan sa isang panlabas na electrostatic field, sa anumang punto ang lakas ng electric field E ay magiging zero. Ang potensyal na pagkakaiba sa loob ng konduktor ay magiging zero din, iyon ay, ang potensyal sa loob ay magiging pare-pareho. Iyon ay, nakikita natin na ang dielectric constant ng metal ay may posibilidad na infinity.

Ngunit sa ibabaw ng wire, ang intensity E ay ididirekta nang normal sa ibabaw na iyon, dahil kung hindi, ang bahagi ng boltahe na nakadirekta nang tangential sa ibabaw ng wire ay magiging sanhi ng mga singil na lumipat sa kahabaan ng wire, na sasalungat sa tunay, static na pamamahagi. Sa labas, sa labas ng wire, mayroong isang electric field, na nangangahulugang mayroon ding vector E na patayo sa ibabaw.

Bilang resulta, sa isang matatag na estado, ang isang metal na konduktor na inilagay sa isang panlabas na electric field ay magkakaroon ng singil ng kabaligtaran na tanda sa ibabaw nito, at ang proseso ng pagtatatag na ito ay tumatagal ng mga nanosecond.

Ang electrostatic shielding ay batay sa prinsipyo na ang isang panlabas na electric field ay hindi tumagos sa konduktor. Ang puwersa ng panlabas na electric field E ay binabayaran ng normal (perpendicular) electric field sa ibabaw ng conductor En, at ang tangential force Et ay katumbas ng zero. Ito ay lumiliko na ang konduktor sa sitwasyong ito ay ganap na equipotential.

Sa anumang punto sa naturang konduktor φ = const, dahil dφ / dl = — E = 0. Ang ibabaw ng konduktor ay equipotential din, dahil dφ / dl = — Et = 0. Ang potensyal ng ibabaw ng konduktor ay pantay sa potensyal ng dami nito. Ang mga hindi nabayarang singil sa isang sinisingil na konduktor, sa ganoong sitwasyon, ay naninirahan lamang sa ibabaw nito, kung saan ang mga tagadala ng singil ay tinataboy ng mga puwersa ng Coulomb.

Ayon sa Ostrogradsky-Gauss theorem, ang kabuuang singil q sa dami ng conductor ay zero, dahil E = 0.

Pagpapasiya ng lakas ng electric field malapit sa konduktor

Kung pipiliin natin ang lugar na dS ng ibabaw ng kawad at itatayo dito ang isang silindro na may mga generator ng taas dl patayo sa ibabaw, pagkatapos ay magkakaroon tayo ng dS '= dS' '= dS. Ang electric field strength vector E ay patayo sa ibabaw at ang electric displacement vector D ay proporsyonal sa E, samakatuwid ang flux D sa gilid na ibabaw ng cylinder ay magiging zero.

Ang flux ng electric displacement vector Фd through dS» ay zero din, dahil ang dS» ay nasa loob ng conductor at doon E = 0, samakatuwid D = 0. Samakatuwid, ang dFd sa pamamagitan ng closed surface ay katumbas ng D through dS', dФd = Dn * dS. Sa kabilang banda, ayon sa Ostrogradsky-Gauss theorem: dФd = dq = σdS, kung saan ang σ ay ang surface charge density sa dS. Mula sa pagkakapantay-pantay ng mga kanang bahagi ng mga equation ay sumusunod na Dn = σ, at pagkatapos En = Dn / εε0 = σ / εε0.

Konklusyon: Ang lakas ng electric field malapit sa ibabaw ng isang naka-charge na konduktor ay direktang proporsyonal sa density ng singil sa ibabaw.

Pang-eksperimentong pag-verify ng pamamahagi ng singil sa isang wire

Sa mga lugar na may iba't ibang lakas ng electric field, ang mga petals ng papel ay magkakaiba sa iba't ibang paraan. Sa ibabaw ng isang mas maliit na radius ng curvature (1) - ang maximum, sa gilid na ibabaw (2) - pareho, dito q = const, iyon ay, ang singil ay pantay na ipinamamahagi.

Ang isang electrometer, isang aparato para sa pagsukat ng potensyal at singil sa isang wire, ay magpapakita na ang singil sa dulo ay pinakamataas, sa gilid na ibabaw ay mas mababa, at ang singil sa panloob na ibabaw (3) ay zero.Ang lakas ng electric field sa tuktok ng naka-charge na wire ay pinakamalaki.

Dahil ang lakas ng electric field E sa mga tip ay mataas, ito ay humahantong sa charge leakage at ionization ng hangin, kaya naman ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay madalas na hindi kanais-nais. Ang mga ion ay nagdadala ng singil sa kuryente mula sa kawad at nangyayari ang epekto ng hangin ng ion. Mga visual na demonstrasyon na nagpapakita ng epektong ito: pagbuga ng apoy ng kandila at ang gulong ni Franklin. Ito ay isang magandang batayan para sa pagbuo ng isang electrostatic motor.

Kung ang isang metal na sisingilin na bola ay dumampi sa ibabaw ng isa pang konduktor, ang singil ay bahagyang ililipat mula sa bola patungo sa konduktor at ang mga potensyal ng konduktor na iyon at ang bola ay magkakapantay. Kung ang bola ay nakikipag-ugnay sa panloob na ibabaw ng guwang na kawad, kung gayon ang lahat ng singil mula sa bola ay ganap na ipapamahagi lamang sa panlabas na ibabaw ng guwang na kawad.

Mangyayari ito kung ang potensyal ng bola ay mas malaki kaysa sa hollow wire o mas kaunti. Kahit na ang potensyal ng bola bago makipag-ugnay ay mas mababa kaysa sa potensyal ng guwang na kawad, ang singil mula sa bola ay ganap na dadaloy, dahil kapag ang bola ay lumipat sa lukab, ang eksperimento ay gagawa ng trabaho upang madaig ang mga puwersang salungat, i.e. , ang potensyal ng bola ay lalago, ang potensyal na enerhiya ng singil ay tataas.

Bilang resulta, dadaloy ang singil mula sa mas mataas na potensyal patungo sa mas mababa. Kung ililipat namin ngayon ang susunod na bahagi ng singil sa bola sa guwang na kawad, kung gayon mas maraming trabaho ang kakailanganin. Malinaw na sinasalamin ng eksperimentong ito ang katotohanan na ang potensyal ay isang katangian ng enerhiya.

Robert Van De Graaf

Si Robert Van De Graaf (1901 - 1967) ay isang napakatalino na Amerikanong pisiko. Noong 1922Nagtapos si Robert sa Unibersidad ng Alabama, nang maglaon, mula 1929 hanggang 1931, nagtrabaho sa Princeton University, at mula 1931 hanggang 1960 sa Massachusetts Institute of Technology. Hawak niya ang ilang mga papeles sa pananaliksik sa teknolohiyang nuklear at accelerator, ang ideya at pagpapatupad ng tandem ion accelerator, at ang pag-imbento ng high voltage electrostatic generator, ang Van de Graaf generator.

Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng generator ng Van De Graaff ay medyo nakapagpapaalaala sa eksperimento sa paglipat ng singil mula sa isang bola patungo sa isang guwang na globo, tulad ng sa eksperimento na inilarawan sa itaas, ngunit dito ang proseso ay awtomatiko.

Ang conveyor belt ay positibong sisingilin gamit ang isang mataas na boltahe na pinagmumulan ng DC, pagkatapos ay ang singil ay inilipat kasama ang paggalaw ng sinturon sa loob ng isang malaking metal sphere, kung saan ito ay inililipat mula sa dulo patungo dito at ipinamahagi sa panlabas na spherical na ibabaw. Kaya ang mga potensyal na may paggalang sa lupa ay nakuha sa milyun-milyong volts.

Sa kasalukuyan, mayroong mga generator ng van de Graaff accelerator, halimbawa, sa Research Institute of Nuclear Physics sa Tomsk mayroong isang ESG ng ganitong uri bawat milyong volts, na naka-install sa isang hiwalay na tore.

Kapasidad ng kuryente at mga capacitor

Tulad ng nabanggit sa itaas, kapag ang isang singil ay inilipat sa isang konduktor, isang tiyak na potensyal na φ ang lilitaw sa ibabaw nito. At para sa iba't ibang mga wire ang potensyal na ito ay magkakaiba, kahit na ang halaga ng singil na inilipat sa mga wire ay pareho. Depende sa hugis at sukat ng wire, ang potensyal ay maaaring iba, ngunit sa isang paraan o iba pa ito ay magiging proporsyonal sa singil at ang singil ay magiging proporsyonal sa potensyal.

Ang ratio ng mga panig ay tinatawag na kapasidad, kapasidad o simpleng kapasidad (kapag malinaw na ipinahiwatig ng konteksto).

Ang electrical capacitance ay isang pisikal na dami na katumbas ng numero sa singil na dapat iulat sa isang konduktor upang mabago ang potensyal nito ng isang yunit. Sa sistema ng SI, ang kapasidad ng kuryente ay sinusukat sa farads (ngayon ay «farad», dating «farad») at 1F = 1C / 1V. Kaya, ang potensyal sa ibabaw ng isang spherical conductor (bola) ay φsh = q / 4πεε0R, samakatuwid Csh = 4πεε0R.

Kung kukuha tayo ng R na katumbas ng radius ng Earth, kung gayon ang electric capacitance ng Earth, bilang isang solong konduktor, ay magiging katumbas ng 700 microfarads. Mahalaga! Ito ang electrical capacitance ng Earth bilang isang solong conductor!

Kung magdadala ka ng isa pang kawad sa isang kawad, pagkatapos ay dahil sa hindi pangkaraniwang bagay ng electrostatic induction, ang kapasidad ng kuryente ng kawad ay tataas. Kaya, ang dalawang konduktor na matatagpuan malapit sa isa't isa at kumakatawan sa mga plato ay tinatawag na isang kapasitor.

Kapag ang electrostatic field ay puro sa pagitan ng mga plate ng kapasitor, iyon ay, sa loob nito, ang mga panlabas na katawan ay hindi nakakaapekto sa kapasidad ng kuryente nito.

Available ang mga capacitor sa flat, cylindrical at spherical capacitor. Dahil ang electric field ay puro sa loob, sa pagitan ng mga plate ng capacitor, ang mga linya ng electric displacement, simula sa positively charged plate ng capacitor, ay nagtatapos sa negatibong charged plate nito. Samakatuwid, ang mga singil sa mga plato ay magkasalungat sa tanda ngunit pantay sa magnitude. At ang kapasidad ng kapasitor C = q / (φ1-φ2) = q / U.

Ang formula para sa kapasidad ng isang flat capacitor (halimbawa)

Dahil ang boltahe ng electric field E sa pagitan ng mga plato ay katumbas ng E = σ / εε0 = q / εε0S at U = Ed, pagkatapos ay C = q / U = q / (qd / εε0S) = εε0S / d.

S ay ang lugar ng mga plato; q ay ang singil sa kapasitor; σ ay ang density ng singil; Ang ε ay ang dielectric na pare-pareho ng dielectric sa pagitan ng mga plato; Ang ε0 ay ang dielectric constant ng vacuum.

Enerhiya ng isang sisingilin na kapasitor

Sa pamamagitan ng pagsasara ng mga plato ng isang naka-charge na kapasitor kasama ng isang wire conductor, ang isa ay maaaring mag-obserba ng isang kasalukuyang na maaaring may ganoong lakas upang matunaw kaagad ang kawad. Malinaw, ang kapasitor ay nag-iimbak ng enerhiya. Ano ang enerhiya na ito sa dami?

Kung ang kapasitor ay sinisingil at pagkatapos ay pinalabas, kung gayon ang U' ay ang agarang halaga ng boltahe sa mga plato nito. Kapag ang singil dq ay dumaan sa pagitan ng mga plato, gagawin ang gawain dA = U'dq. Ang gawaing ito ay katumbas ng numero sa pagkawala ng potensyal na enerhiya, na nangangahulugang dA = — dWc. At dahil q = CU, kung gayon dA = CU'dU ', at ang kabuuang gawain A = ∫ dA. Sa pamamagitan ng pagsasama ng expression na ito pagkatapos ng dati na pagpapalit, nakuha namin ang Wc = CU2/2.