Hogyan oszlik meg a töltés egy vezetőben, amikor áram áramlik?
Töltőtartók és mozgásuk
A vezető olyan anyag, amelyben a hordozók a legkisebb külső elektromos mező hatására elmozdulnak. Ha nincs külső mező, a pozitív ionok és a negatív elektronok mezei kiiktatják egymást. Egy kapcsolódó kérdést részletesebben megvizsgáltunk és összehasonlítottunk vezetők, dielektrikumok és félvezetők egy korábban közzétett cikkben.
Vegyünk egy fém tárgyat, amely elektromos mezőben van. A töltőhordozók külső mező hatására elkezdenek mozogni, mert a Coulomb-erők a töltőhordozókra hatnak. Ezen túlmenően, ezeknek az erőknek a pozitív és negatív hordozókra gyakorolt iránya más irányba mutat. A mozgás megáll, ha a külső és belső mezők intenzitásainak összege nulla, azaz:
Erez = E belső + E külső = 0
Ebben az esetben a térerősség egyenlő:
E = dF / dt
Ha a feszültség nulla, akkor a testben levő potenciál valamilyen állandó számmal egyenlő. Ez nyilvánvalóvá válik, ha kifejezzük a képletben rejlő lehetőségeket és integrálunk, vagyis:
A test teljes térfogatából származó pozitív ionok és elektronok a felület felé rohannak, hogy kompenzálják a feszültséget elektromos mező. Ezután a vezetőn belül az elektromos mező nullával egyenlő lesz, mivel a felületétől töltő hordozók kiegyensúlyozzák.
Érdekes! Egy olyan felületet, amelyen minden ponton ugyanaz a potenciál van, potenciálpotenciálnak nevezzük.
Ha ezt a kérdést részletesebben megvizsgáljuk, amikor egy vezetőt bevezetünk egy elektromos mezőbe, akkor a pozitív ionok a terepi vonalakkal szemben mozognak, a negatív elektronok ugyanabba az irányba. Ez addig történik, amíg el nem oszlanak, és a vezetékben a mező nullával egyenlő lesz. Az ilyen töltéseket indukáltnak vagy túlzottnak nevezik.
Fontos! Amikor a töltéseket továbbítják a vezető anyaggal, eloszlanak úgy, hogy egyensúlyi állapotot érjenek el. Ugyanezek a töltések visszatükröződnek, és az elektromos erő erővonalának iránya szerint hajlamosak.
Ebből következik, hogy a töltéshordozók mozgatása nulla, ami megegyezik a potenciális különbséggel. Akkor a potenciál a vezető különböző szakaszaiban egyenlő állandó számmal és nem változik.Fontos tudni, hogy dielektrikában egy töltőhordozó, például egy atom atomjának eltávolításához nagy erőket kell alkalmazni. Ezért a leírt jelenségeket általános értelemben megfigyelhetjük a vezető testeken.
A magányos vezető elektromos kapacitása
Először mérlegeljük a magányos kar fogalmát. Ez egy olyan vezető, amely távol van a többi töltött vezetéktől és testtől. Sőt, a rá eső potenciál függ a töltésétől.
A magányos vezető elektromos kapacitása a vezető képessége az elosztott töltés megtartására. Először is, ez a vezető alakjától függ.
Ha két ilyen testet dielektrikum választ el, például levegő, csillám, papír, kerámia stb. - kap egy kondenzátort. Kapacitása függ a lemezek és a lemezek közötti távolságtól, valamint a közöttük lévő potenciális különbségtől.
A képletek leírják a kapacitás függését a potenciálkülönbségtől és a lapos kondenzátor geometriai méreteitől. Tudjon meg többet a mi az elektromos kapacitás, külön cikkünkből szerezheti be.
Töltőeloszlás és a test alakja
Tehát a töltő hordozók eloszlási sűrűsége a vezető alakjától függ. Fontolja meg ezt egy gömb képletével.
Tegyük fel, hogy van egy bizonyos fémes töltésű gömb, R sugárral, töltési sűrűséggel a G felületen és F potenciállal.
Az utóbbi származtatott képletből megtudhatjuk, hogy a sűrűség körülbelül fordítottan arányos a gömb sugarával.
Vagyis minél konvexebb és élesebb a tárgy, annál nagyobb a hordozók sűrűsége ezen a helyen. Homorú felületeken a sűrűség minimális. Ez látható a videóban:
Gyakorlati alkalmazás
Ha figyelembe veszi a fentieket, érdemes megjegyezni, hogy az áram átvezet a kábelen, és eloszlik, mintha a cső külső átmérője lenne. Ennek oka a vezető testben az elektronok eloszlása.
Kíváncsi, hogy ha az áram folyik nagyfrekvenciás áramú rendszerekben, akkor bőrhatás figyelhető meg. Ez a töltések eloszlása a vezetők felületén. De ebben az esetben még vékonyabb „vezető” réteg figyelhető meg.
Mit jelent ez? Ez azt sugallja, hogy egy hasonló nagyságrendű áram áramlásához 50 Hz hálózati frekvencián és 50 kHz frekvencián egy nagyfrekvenciás áramkörben a vezető mag nagyobb keresztmetszetére lesz szükség. A gyakorlatban ez megfigyelhető a tápegységek kapcsolásakor. Pontosan az ilyen áramok folynak a transzformátorukban. A keresztmetszeti terület növelése érdekében válasszon vastag huzalt, vagy tekercselje meg a tekercseket egyszerre több erekkel.
A sűrűség eloszlásnak az előző szakaszban ismertetett felület alakjától való függését a villámvédelmi rendszereknél a gyakorlatban alkalmazzák. Ismeretes, hogy a villámkárosodás elleni védelem érdekében a villámvédelem egyik típusát, például egy villámrúdot telepítik. A felületén töltött részecskék halmozódnak fel, amelyek miatt a kisülés pontosan benne történik, ami ismét megerősíti azt, amit eloszlásukról mondtak.
Végül azt javasoljuk, hogy nézzen meg egy videót, amely egyszerű szavakkal elmagyarázza és egyértelműen megmutatja, hogyan oszlanak meg a töltések a karmesterben:
Ez minden, amit el akartunk mondani arról, hogy hogyan történik a töltőeloszlás a vezetőben, amikor áram áramlik. Reméljük, hogy a megadott információ érthető és hasznos volt az Ön számára!
Kapcsolódó anyagok:
Betöltés ...
