Elektriväljas olevad juhid
Juhtmetes - metallides ja elektrolüütides on laengukandjad. Elektrolüütides on need ioonid, metallides - elektronid. Need elektriliselt laetud osakesed suudavad välise elektrostaatilise välja mõjul liikuda ümber kogu juhi ruumala. Metallides olevad juhtivuselektronid, mis tekivad metalliaurude kondenseerumisel valentselektronide jagamise tõttu, on metallide laengukandjad.
Elektrivälja tugevus ja potentsiaal juhis
Välise elektrivälja puudumisel on metalljuht elektriliselt neutraalne, kuna selle sees kompenseeritakse elektrostaatiline väli täielikult selle ruumala negatiivsete ja positiivsete laengutega.
Kui metalljuht sisestatakse välisesse elektrostaatilisesse välja, hakkavad juhi sees olevad juhtivuselektronid ümber jaotuma, nad hakkavad liikuma ja liikuma nii, et kõikjal juhi ruumalas on positiivsete ioonide väli ja juhtivusväli. elektronid kompenseerivad lõpuks välise elektrostaatilise välja.
Seega on välises elektrostaatilises väljas asuva juhi sees elektrivälja tugevus E igal hetkel null. Potentsiaalide erinevus juhi sees on samuti null, see tähendab, et sees olev potentsiaal muutub konstantseks. See tähendab, et me näeme, et metalli dielektriline konstant kipub lõpmatuseni.
Kuid traadi pinnal suunatakse intensiivsus E selle pinna suhtes normaalselt, sest vastasel juhul põhjustaks traadi pinnale tangentsiaalselt suunatud pingekomponent laengute liikumist mööda traati, mis oleks vastuolus tegeliku staatilise jaotusega. Väljaspool traati on elektriväli, mis tähendab, et seal on ka vektor E, mis on pinnaga risti.
Selle tulemusena on välisesse elektrivälja asetatud metalljuhi pinnal püsiseisundis vastupidise märgiga laeng ja selle tekkimise protsess võtab aega nanosekundeid.
Elektrostaatiline varjestus põhineb põhimõttel, et väline elektriväli ei tungi juhti. Välise elektrivälja E jõudu kompenseerib normaal (risti) elektriväli juhi En pinnal ja tangentsiaalne jõud Et on võrdne nulliga. Selgub, et selles olukorras olev dirigent on täielikult ekvipotentsiaalne.
Sellise juhi mis tahes punktis φ = const, kuna dφ / dl = — E = 0. Juhi pind on samuti ekvipotentsiaalne, kuna dφ / dl = — Et = 0. Juhi pinna potentsiaal on võrdne selle mahu potentsiaalile. Laetud juhi kompenseerimata laengud asuvad sellises olukorras ainult selle pinnal, kus laengukandjaid tõrjuvad Coulombi jõud.
Ostrogradsky-Gaussi teoreemi kohaselt on juhi ruumala kogulaeng q null, kuna E = 0.
Elektrivälja tugevuse määramine juhi lähedal
Kui valime traadi pinna pindala dS ja ehitame sellele silinder generaatoritega kõrgusega dl, mis on pinnaga risti, siis saame dS '= dS' '= dS. Elektrivälja tugevuse vektor E on pinnaga risti ja elektrilise nihke vektor D võrdeline E-ga, mistõttu silindri külgpinda läbiv voog D on null.
Elektrilise nihkevektori Фd voog läbi dS» on samuti null, kuna dS» on juhi sees ja seal E = 0, seega D = 0. Seetõttu on dFd läbi suletud pinna võrdne D läbi dS', dФd = Dn * dS. Teisest küljest vastavalt Ostrogradsky-Gaussi teoreemile: dФd = dq = σdS, kus σ on pinnalaengu tihedus dS-l. Võrrandite paremate külgede võrdsusest järeldub, et Dn = σ ja siis En = Dn / εε0 = σ / εε0.
Järeldus: Elektrivälja tugevus laetud juhi pinna lähedal on otseselt võrdeline pinnalaengu tihedusega.
Traadil laengu jaotuse katseline kontrollimine
Erineva elektrivälja tugevusega kohtades lahknevad paberist kroonlehed erinevalt. Väiksema kõverusraadiusega pinnal (1) — maksimum, külgpinnal (2) — sama, siin q = const ehk laeng on ühtlaselt jaotunud.
Elektromeeter, seade juhtme potentsiaali ja laengu mõõtmiseks, näitaks, et laeng tipus on maksimaalne, külgpinnal väiksem ja sisepinnal (3) on laeng null.Elektrivälja tugevus laetud juhtme ülaosas on suurim.
Kuna elektrivälja tugevus E otstes on kõrge, põhjustab see laengu leket ja õhu ioniseerumist, mistõttu on see nähtus sageli ebasoovitav. Ioonid kannavad juhtmest elektrilaengu ja tekib ioontuule efekt. Seda efekti peegeldavad visuaalsed demonstratsioonid: küünlaleegi ja Franklini ratta kustutamine. See on hea alus elektrostaatilise mootori ehitamiseks.
Kui metallist laetud kuul puudutab teise juhi pinda, kandub laeng kuulilt osaliselt juhile ning selle juhi ja kuuli potentsiaalid võrdsustuvad. Kui pall puutub kokku õõnestraadi sisepinnaga, jaotub kogu kuuli laeng täielikult ainult õõnestraadi välispinnale.
See juhtub olenemata sellest, kas kuuli potentsiaal on suurem kui õõnestraadi oma või väiksem. Isegi kui kuuli potentsiaal enne kokkupuudet on väiksem kui õõnestraadi potentsiaal, voolab kuulist tulev laeng täielikult, sest kui kuul liigub õõnsusse, teeb katsetaja tööd tõukejõudude ületamiseks, s.t. , palli potentsiaal kasvab, laengu potentsiaalne energia suureneb.
Selle tulemusena voolab laeng kõrgemalt potentsiaalilt madalamale. Kui nüüd järgmise osa kuulil olevast laengust õõnestraadile üle kanda, siis tuleb veel rohkem tööd teha. See katse peegeldab selgelt tõsiasja, et potentsiaal on energiaomadus.
Robert Van De Graaf
Robert Van De Graaf (1901–1967) oli geniaalne Ameerika füüsik. 1922. aastalRobert on lõpetanud Alabama ülikooli, hiljem, aastatel 1929–1931, töötas Princetoni ülikoolis ja 1931–1960 Massachusettsi tehnoloogiainstituudis. Tal on mitmeid teadustöid tuuma- ja kiirenditehnoloogia, tandem-ioonkiirendi idee ja teostuse ning kõrgepinge elektrostaatilise generaatori Van de Graaf generaatori leiutamise kohta.
Van De Graaffi generaatori tööpõhimõte meenutab mõnevõrra katset laengu ülekandmisega kuulilt õõnsale sfäärile, nagu ülalkirjeldatud katses, kuid siin on protsess automatiseeritud.
Konveierilint laetakse positiivselt kõrgepinge alalisvooluallika abil, seejärel kantakse laeng lindi liikumisega suure metallsfääri sisemusse, kus see kandub tipust sellesse ja jaotatakse sfäärilisele välispinnale. Seega saadakse potentsiaalid maa suhtes miljonites voltides.
Praegu on olemas van de Graaffi kiirendusgeneraatorid, näiteks Tomskis asuvas tuumafüüsika uurimisinstituudis on seda tüüpi ESG miljonivoldi kohta, mis on paigaldatud eraldi torni.
Elektriline võimsus ja kondensaatorid
Nagu eespool mainitud, tekib juhile laengu ülekandmisel selle pinnale teatud potentsiaal φ. Ja erinevate juhtmete puhul on see potentsiaal erinev, isegi kui juhtmetele ülekantud laengu hulk on sama. Sõltuvalt juhtme kujust ja suurusest võib potentsiaal olla erinev, kuid ühel või teisel viisil on see proportsionaalne laenguga ja laeng võrdeline potentsiaaliga.
Külgede suhet nimetatakse võimsuseks, võimsuseks või lihtsalt võimsuseks (kui kontekst seda selgelt eeldab).
Elektriline mahtuvus on füüsikaline suurus, mis on arvuliselt võrdne laenguga, mis tuleb juhile teatada, et muuta selle potentsiaali ühe ühiku võrra. SI-süsteemis mõõdetakse elektrilist võimsust faradides (praegu "farad", varem "farad") ja 1F = 1C / 1V. Seega on sfäärilise juhi (kuuli) pinnapotentsiaal φsh = q / 4πεε0R, seega Csh = 4πεε0R.
Kui võtame R võrdseks Maa raadiusega, siis on Maa kui ühe juhi elektriline mahtuvus 700 mikrofaradi. Tähtis! See on Maa kui ühe juhi elektriline mahtuvus!
Kui tuua ühe juhtme külge teine juhe, siis elektrostaatilise induktsiooni nähtuse tõttu traadi elektriline läbilaskevõime suureneb. Niisiis nimetatakse kahte üksteise lähedal asuvat ja plaate esindavat juhti kondensaatoriks.
Kui elektrostaatiline väli on koondunud kondensaatori plaatide vahele, st selle sees, ei mõjuta väliskehad selle elektrilist mahtu.
Kondensaatorid on saadaval lamedate, silindriliste ja sfääriliste kondensaatoritena. Kuna elektriväli on koondunud kondensaatori plaatide vahele, siis kondensaatori positiivselt laetud plaadist algavad elektrinihke jooned lõpevad selle negatiivselt laetud plaadiga. Seetõttu on plaatide laengud märgilt vastupidised, kuid suuruselt võrdsed. Ja kondensaatori mahtuvus C = q / (φ1-φ2) = q / U.
Lamekondensaatori mahtuvuse valem (näiteks)
Kuna plaatide vahelise elektrivälja pinge E võrdub E = σ / εε0 = q / εε0S ja U = Ed, siis C = q / U = q / (qd / εε0S) = εε0S / d.
S on plaatide pindala; q on kondensaatori laeng; σ on laengu tihedus; ε on plaatide vahelise dielektriku dielektriline konstant; ε0 on vaakumi dielektriline konstant.
Laetud kondensaatori energia
Sulgedes laetud kondensaatori plaadid koos traatjuhiga, saab jälgida voolu, mis võib olla sellise tugevusega, et sulatab traadi koheselt. Ilmselgelt salvestab kondensaator energiat. Mis on see energia kvantitatiivselt?
Kui kondensaator laetakse ja seejärel tühjeneb, on U' selle plaatide pinge hetkväärtus. Kui laeng dq läheb plaatide vahelt läbi, tehakse tööd dA = U'dq. See töö on arvuliselt võrdne potentsiaalse energia kaoga, mis tähendab dA = — dWc. Ja kuna q = CU, siis dA = CU'dU ' ja kogu töö A = ∫ dA. Integreerides selle avaldise pärast eelnevat asendamist, saame Wc = CU2/2.