Como as cargas são distribuídas em um condutor quando a corrente flui
Portadores de carga e seu movimento
Um condutor é uma substância na qual os transportadores começam a se mover sob a influência do menor campo elétrico externo. Quando não há campo externo, os campos de íons positivos e elétrons negativos se cancelam. Examinamos uma questão relacionada com mais detalhes e comparamos condutores, dielétricos e semicondutores em um artigo publicado anteriormente.
Considere um objeto de metal que esteja em um campo elétrico. Os transportadores de carga começam a se mover sob a influência de um campo externo devido ao fato de que as forças de Coulomb começam a atuar nos transportadores de carga. Além disso, a direção da ação dessas forças em portadores positivos e negativos encontra-se em uma direção diferente. O movimento para se a soma das intensidades dos campos externo e interno se tornar zero, ou seja:
Erez = E interno + E externo = 0
Nesse caso, a intensidade do campo é igual a:
E = dF / dt
Se a tensão é zero, o potencial dentro do corpo é igual a um número constante. Isso ficará claro se expressarmos o potencial dessa fórmula e integrarmos, ou seja:
Íons positivos e elétrons de todo o volume do corpo correm para a superfície para compensar a tensão campo elétrico. Então, dentro do condutor, o campo elétrico torna-se igual a zero, pois é balanceado por portadores de carga de sua superfície.
Interessante! Uma superfície na qual o mesmo potencial está presente em todos os pontos é denominada equipotencial.
Se considerarmos essa questão com mais detalhes, quando um condutor é introduzido em um campo elétrico, íons positivos se movem contra suas linhas de força e elétrons negativos na mesma direção. Isso acontece até que sejam distribuídos e o campo no condutor se torne igual a zero. Tais cobranças são chamadas induzidas ou excessivas.
Importante! Quando as cargas são comunicadas ao material condutor, elas são distribuídas para que um estado de equilíbrio seja alcançado. As mesmas cargas repelem e tendem de acordo com a direção das linhas de força do campo elétrico.
Daqui resulta que o trabalho de transportar cargas é zero, o que é igual à diferença de potencial. Então o potencial em diferentes seções do condutor é igual a um número constante e não muda.É importante saber que em um dielétrico, a fim de arrancar um portador de carga, por exemplo, um elétron de um átomo, grandes forças devem ser aplicadas. Portanto, os fenômenos descritos em um sentido geral são observados em corpos condutores.
Capacidade elétrica de um condutor solitário
Primeiro, considere o conceito de um condutor solitário. Este é um condutor que está distante de outros condutores e corpos carregados. Além disso, o potencial dependerá de sua carga.
A capacidade elétrica de um condutor solitário é a capacidade de um condutor reter uma carga distribuída. Primeiro de tudo, depende da forma do condutor.
Se dois desses corpos são separados por um dielétrico, por exemplo, ar, mica, papel, cerâmica, etc. - pegue um capacitor. Sua capacidade depende da distância entre as placas e sua área, bem como da diferença de potencial entre elas.
As fórmulas descrevem a dependência da capacitância na diferença de potencial e nas dimensões geométricas de um capacitor plano. Saiba mais sobre o que é capacidade elétrica, você pode do nosso artigo separado.
Distribuição de carga e forma do corpo
Portanto, a densidade de distribuição dos portadores de carga depende da forma do condutor. Considere isso com o exemplo de fórmulas para uma esfera.
Suponha que temos uma certa esfera carregada metálica, com raio R, densidade de carga na superfície G e potencial F. Então:
A partir da última fórmula derivada, podemos entender que a densidade é aproximadamente inversamente proporcional ao raio da esfera.
Ou seja, quanto mais convexo e nítido o objeto, maior a densidade de transportadoras nesse local. Em superfícies côncavas, a densidade é mínima. Isso pode ser visto no vídeo:
Aplicação prática
Se você levar em consideração o acima, é importante notar que a corrente flui através do cabo e é distribuída, como se fosse pelo diâmetro externo do tubo. Isto é devido às características da distribuição de elétrons em um corpo condutor.
É curioso que, quando a corrente flui em sistemas com corrente de alta frequência, é observado um efeito de pele. Esta é a distribuição de cargas na superfície dos condutores. Mas neste caso, uma camada "condutora" ainda mais fina é observada.
O que isso significa? Isso sugere que, para que uma corrente de magnitude semelhante ocorra com uma frequência de rede de 50 Hz e uma frequência de 50 kHz em um circuito de alta frequência, será necessária uma seção transversal maior do núcleo condutor. Na prática, isso é observado na troca de fontes de alimentação. São precisamente essas correntes que fluem em seus transformadores. Para aumentar a área da seção transversal, escolha um fio grosso ou enrole os enrolamentos com várias veias ao mesmo tempo.
A dependência da distribuição da densidade na forma da superfície descrita na seção anterior é usada na prática em sistemas de proteção contra raios. É sabido que, para proteger contra danos causados por raios, um dos tipos de proteção contra raios, por exemplo, um pára-raios, é instalado. Em sua superfície, partículas carregadas se acumulam, devido à qual a descarga ocorre precisamente nela, o que confirma novamente o que foi dito sobre sua distribuição.
Por fim, recomendamos assistir a um vídeo no qual, em palavras simples, é explicado e mostrado graficamente como as cargas são distribuídas no condutor:
Isso é tudo o que queremos dizer sobre como a distribuição de carga no condutor ocorre quando a corrente flui. Esperamos que as informações fornecidas sejam compreensíveis e úteis para você!
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