Hoe kosten worden verdeeld in een geleider wanneer er stroom vloeit
Ladingdragers en hun beweging
Een geleider is een stof waarin dragers beginnen te bewegen onder invloed van het geringste externe elektrische veld. Als er geen extern veld is, heffen de velden van positieve ionen en negatieve elektronen elkaar op. We hebben een gerelateerd probleem nader onderzocht en vergeleken geleiders, diëlektrica en halfgeleiders in een eerder gepubliceerd artikel.
Overweeg een metalen object dat zich in een elektrisch veld bevindt. De ladingdragers beginnen te bewegen onder invloed van een extern veld omdat de Coulomb-krachten op de ladingdragers gaan werken. Bovendien ligt de werkingsrichting van deze krachten op positieve en negatieve dragers in een andere richting. De beweging stopt als de som van de intensiteiten van de externe en interne velden nul wordt, dat wil zeggen:
Erez = E intern + E extern = 0
In dit geval is de veldsterkte gelijk aan:
E = dF / dt
Als de spanning nul is, is het potentieel in het lichaam gelijk aan een constant getal. Dit zal duidelijk worden als we het potentieel van deze formule uitdrukken en integreren, dat wil zeggen:
Positieve ionen en elektronen van het hele lichaam stromen naar het oppervlak om de spanning te compenseren elektrisch veld. Vervolgens wordt het elektrische veld binnen de geleider gelijk aan nul, omdat het wordt gebalanceerd door ladingsdragers vanaf het oppervlak.
Interessant! Een oppervlak waarop op alle punten hetzelfde potentieel aanwezig is, wordt equipotentiaal genoemd.
Als we dit probleem in meer detail onderzoeken, bewegen positieve ionen tegen de veldlijnen en negatieve elektronen in dezelfde richting wanneer een geleider in een elektrisch veld wordt geïntroduceerd. Dit gebeurt totdat ze zijn verdeeld en het veld in de geleider wordt gelijk aan nul. Dergelijke kosten worden geïnduceerd of teveel genoemd.
Belangrijk! Wanneer de ladingen worden doorgegeven aan het geleidende materiaal, worden ze verdeeld zodat een evenwichtstoestand wordt bereikt. Dezelfde ladingen zullen afstoten en neigen in overeenstemming met de richting van de krachtlijnen van het elektrische veld.
Hieruit volgt dat het werk van bewegende ladingdragers nul is, wat gelijk is aan het potentiële verschil. Dan is de potentiaal in verschillende secties van de geleider gelijk aan een constant aantal en verandert niet.Het is belangrijk om te weten dat in een diëlektricum grote krachten moeten worden uitgeoefend om een ladingsdrager, bijvoorbeeld een elektron van een atoom, af te scheuren. Daarom worden de beschreven verschijnselen in algemene zin waargenomen op geleidende lichamen.
Elektrische capaciteit van een solitaire geleider
Overweeg eerst het concept van een solitaire geleider. Dit is een geleider die ver verwijderd is van andere geladen geleiders en lichamen. Bovendien hangt het potentieel erop af van de lading.
De elektrische capaciteit van een solitaire geleider is het vermogen van een geleider om een verdeelde lading vast te houden. Allereerst hangt het af van de vorm van de geleider.
Als twee van dergelijke lichamen worden gescheiden door een diëlektricum, bijvoorbeeld lucht, mica, papier, keramiek, enz. - haal een condensator. De capaciteit hangt af van de afstand tussen de platen en hun oppervlak, evenals van het potentiële verschil tussen de platen.
De formules beschrijven de afhankelijkheid van capaciteit van het potentiaalverschil en van de geometrische afmetingen van een platte condensator. Meer informatie over wat is elektrische capaciteit, kunt u uit ons afzonderlijke artikel.
Ladingverdeling en lichaamsvorm
De distributiedichtheid van ladingsdragers hangt dus af van de vorm van de geleider. Beschouw dit eens met het voorbeeld van formules voor een bol.
Stel dat we een bepaalde metalen geladen bol hebben, met straal R, ladingsdichtheid op het oppervlak G en potentiaal F. Dan:
Uit de laatst afgeleide formule kunnen we begrijpen dat de dichtheid ongeveer omgekeerd evenredig is met de straal van de bol.
Dat wil zeggen, hoe meer convex en scherper het object, hoe groter de dichtheid van dragers op deze plaats. Op holle oppervlakken is de dichtheid minimaal. Dit is te zien in de video:
Praktische toepassing
Als we rekening houden met het bovenstaande, is het vermeldenswaard dat de stroom door de kabel stroomt en wordt verdeeld, alsof door de buitendiameter van de buis. Dit komt door de kenmerken van de verdeling van elektronen in een geleidend lichaam.
Het is merkwaardig dat wanneer er stroom vloeit in systemen met een hoogfrequente stroom, er een huideffect wordt waargenomen. Dit is de verdeling van de kosten op het oppervlak van de geleiders. Maar in dit geval wordt een nog dunnere 'geleidende' laag waargenomen.
Wat betekent dit? Dit suggereert dat voor een stroom van een vergelijkbare grootte met een netwerkfrequentie van 50 Hz en een frequentie van 50 kHz in een hoogfrequent circuit, een grotere doorsnede van de geleidende kern nodig zal zijn. In de praktijk wordt dit waargenomen bij het schakelen van voedingen. Het zijn precies zulke stromen die in hun transformatoren stromen. Kies een dikke draad of wikkel de wikkelingen met meerdere aders tegelijk om de dwarsdoorsnede te vergroten.
De afhankelijkheid van de dichtheidsverdeling van de in de vorige paragraaf beschreven oppervlaktevorm wordt in de praktijk gebruikt in bliksembeveiligingssystemen. Het is bekend dat ter bescherming tegen bliksemschade een van de soorten bliksembeveiliging, bijvoorbeeld een bliksemafleider, is geïnstalleerd. Op het oppervlak hopen zich geladen deeltjes op, waardoor de ontlading er precies in plaatsvindt, wat opnieuw bevestigt wat er over hun verspreiding werd gezegd.
Ten slotte raden we aan om een video te bekijken waarin, in eenvoudige woorden, wordt uitgelegd en grafisch weergegeven hoe de ladingen worden verdeeld in de geleider:
Dit is alles wat we je wilden vertellen over hoe de ladingsverdeling in de geleider plaatsvindt wanneer er stroom vloeit. We hopen dat de verstrekte informatie voor u begrijpelijk en nuttig was!
Gerelateerde materialen:
Bezig met laden ...
