Kuinka varaukset jakautuvat johtimessa, kun virta virtaa
Laturialustat ja niiden liikkuminen
Johdin on aine, jossa kantajat alkavat liikkua pienimmän ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta. Kun ulkoista kenttää ei ole, positiivisten ionien ja negatiivisten elektronien kentät kumoavat toisensa. Tutkimme asiaan liittyvää kysymystä yksityiskohtaisemmin ja vertasimme johtimet, dielektrikot ja puolijohteet aiemmin julkaistussa artikkelissa.
Mieti metalliesinettä, joka on sähkökentässä. Latauskannattajat alkavat liikkua ulkoisen kentän vaikutuksesta johtuen siitä, että Coulomb-joukot alkavat toimia varauskantolaitteissa. Lisäksi näiden voimien vaikutussuunta positiivisiin ja negatiivisiin kantajiin on eri suunnassa. Liike pysähtyy, jos ulkoisen ja sisäisen kentän intensiteettien summa muuttuu nollaksi, toisin sanoen:
Erez = E sisäinen + E ulkoinen = 0
Tässä tapauksessa kenttävoimakkuus on yhtä suuri kuin:
E = dF / dt
Jos jännitys on nolla, ruumiin sisällä oleva potentiaali on yhtä suuri kuin vakio luku. Tämä käy selväksi, jos ilmaistaan tämän kaavan tarjoamat mahdollisuudet ja integroidaan, toisin sanoen:
Kehon koko tilavuudesta positiiviset ionit ja elektronit ryntävät sen pintaan jännityksen kompensoimiseksi sähkökenttä. Sitten johtimen sisällä sähkökenttä tulee nollaksi, koska sitä tasapainottavat pinnan varaajat.
Mielenkiintoista! Pintaa, jolla kaikissa pisteissä on sama potentiaali, kutsutaan ekvipotentiaaliksi.
Jos tarkastelemme tätä asiaa yksityiskohtaisemmin, kun johdin johdetaan sähkökenttään, positiiviset ionit liikkuvat sen kenttäviivoja vastaan ja negatiiviset elektronit samaan suuntaan. Tämä tapahtuu, kunnes ne ovat jakautuneet ja kenttä johtimessa tulee nollaksi. Sellaisia varauksia kutsutaan indusoituiksi tai ylimääräisiksi.
Tärkeää! Kun varaukset välitetään johtavalle materiaalille, ne jakautuvat siten, että tasapainotila saavutetaan. Samat varaukset torjuvat ja taipuvat sähkökentän voimajohtojen suunnan mukaisesti.
Tästä seuraa, että liikkuvien varauskuljettimien työ on nolla, mikä on yhtä suuri kuin potentiaaliero. Silloin potentiaali johtimen eri osissa on yhtä suuri kuin vakio luku eikä muutu.On tärkeätä tietää, että dielektrisissä varausvälineiden, esimerkiksi elektronin atomista, repeämiseksi irti, on kohdistettava suuria voimia. Siksi kuvatut ilmiöt havaitaan yleisessä mielessä johtavissa kappaleissa.
Yksinäisen johtimen sähkökapasiteetti
Harkitse ensin yksinäisen johtimen käsitettä. Tämä on johdin, joka on kaukana muista varautuneista johtimista ja rungoista. Lisäksi sen potentiaali riippuu sen varauksesta.
Yksinäisen johtimen sähköinen kapasiteetti on johtimen kyky pitää hajautettu varaus. Ensinnäkin, se riippuu johtimen muodosta.
Jos kahta tällaista kappaletta erottaa dielektrisyys, esimerkiksi ilma, kiille, paperi, keramiikka jne. - hanki kondensaattori. Sen kapasiteetti riippuu levyjen ja niiden alueen välisestä etäisyydestä sekä niiden välisestä potentiaalierosta.
Kaavoissa kuvataan kapasitanssin riippuvuus potentiaalieroista ja tasaisen kondensaattorin geometrisista mitoista. Lisätietoja mikä on sähkökapasiteetti, voit erillisestä artikkelistamme.
Latausjako ja kehon muoto
Joten varausaineiden jakautumistiheys riippuu johtimen muodosta. Mieti tätä esimerkillä pallokaavoista.
Oletetaan, että meillä on tietty metallivarainen pallo, säde R, varaustiheys pinnalla G ja potentiaali F. Tällöin:
Viimeisimmästä johdetusta kaavasta voimme ymmärtää, että tiheys on suunnilleen käänteisesti verrannollinen pallon säteen kanssa.
Eli mitä kuperampi ja terävämpi esine on, sitä suurempi on kantoaineiden tiheys tässä paikassa. Koverailla pinnoilla tiheys on minimaalinen. Tämä näkyy videossa:
Käytännön sovellus
Jos otamme huomioon edellä mainitut, on syytä huomata, että virta virtaa kaapelin läpi ja jakautuu ikään kuin putken ulkohalkaisija. Tämä johtuu johtavien kappaleiden elektronien jakautumisen ominaisuuksista.
On uteliasta, että kun virta virtaa järjestelmissä, joissa on korkea taajuusvirta, havaitaan ihovaikutus. Tämä on varausten jakauma johtimien pinnalla. Mutta tässä tapauksessa havaitaan vielä ohuempi “johtava” kerros.
Mitä tämä tarkoittaa? Tämä viittaa siihen, että samantapaisen virran tapahtumiseksi 50 Hz: n verkon taajuudella ja 50 kHz: n taajuudella korkeataajuuspiirissä tarvitaan suurempi johtava ytimen poikkileikkaus. Käytännössä tämä havaitaan virtalähteiden kytkemisessä. Juuri sellaiset virrat virtaavat muuntajassaan. Jos haluat lisätä poikkileikkausaluetta, valitse joko paksu lanka tai käämi käämit useilla suoneilla kerralla.
Edellisessä osassa kuvattua tiheyden jakauman riippuvuutta pintamuodosta käytetään käytännössä salamansuojausjärjestelmissä. Tiedetään, että suojaamiseksi salamavaurioilta on asennettu yksi salamannopeuden tyypeistä, esimerkiksi salaman sauva. Sen pinnalle kerääntyy varautuneita hiukkasia, joiden seurauksena purkaus tapahtuu tarkalleen siinä, mikä taas vahvistaa sen, mitä niiden jakautumisesta sanottiin.
Lopuksi suosittelemme katsomaan videota, jossa yksinkertaisilla sanoilla selitetään ja esitetään graafisesti kuinka varaukset jakautuvat johtimessa:
Tämä on kaikki, mitä halusimme kertoa sinulle kuinka varauksen jakautuminen johtimessa tapahtuu, kun virta virtaa. Toivomme, että annetut tiedot olivat sinulle ymmärrettäviä ja hyödyllisiä!
Aiheeseen liittyvät materiaalit:
Ladataan ...
