전기장의 전도체

와이어 - 금속 및 전해질에는 전하 캐리어가 있습니다. 전해질에서 이들은 이온이고 금속에서는 전자입니다. 이러한 전하를 띤 입자는 외부 정전기장의 영향으로 도체의 전체 부피를 이동할 수 있습니다. 원자가 전자의 공유로 인한 금속 증기의 응축으로 인한 금속의 전도 전자는 금속의 전하 캐리어입니다.

도체의 전기장의 강도와 전위

외부 전기장이 없으면 금속 도체는 전기적으로 중성입니다. 그 내부의 정전기 장은 부피의 음전하와 양전하로 완전히 보상되기 때문입니다.

금속 도체가 외부 정전기장에 도입되면 도체 내부의 전도 전자가 재분배되기 시작하고 움직이기 시작하여 전도체 부피의 모든 곳에서 양이온 필드와 전도 필드 전자는 결국 외부 정전기장을 보상합니다.

따라서 외부 정전기장에 위치한 도체 내부에서는 어느 지점에서든 전계 강도 E가 0이 됩니다. 도체 내부의 전위차도 0이 됩니다. 즉, 내부 전위가 일정해집니다. 즉, 금속의 유전 상수가 무한대 경향이 있음을 알 수 있습니다.

그러나 와이어의 표면에서 강도 E는 해당 표면에 수직으로 향할 것입니다. 그렇지 않으면 와이어 표면에 접선 방향으로 향하는 전압 구성 요소로 인해 전하가 와이어를 따라 이동하게 되어 실제 정적 분포와 모순될 수 있기 때문입니다. 외부, 전선 외부에는 전기장이 있으며 이는 표면에 수직인 벡터 E도 있음을 의미합니다.

결과적으로 정상 상태에서 외부 전기장에 배치된 금속 전도체는 표면에 반대 기호의 전하를 갖게 되며 이 설정 프로세스는 나노초가 걸립니다.

정전기 차폐는 외부 전기장이 도체를 관통하지 않는다는 원리를 기반으로 합니다. 외부 전기장 E의 힘은 도체 En 표면의 수직(수직) 전기장에 의해 보상되며 접선력 Et는 0입니다. 이 상황에서 도체는 완전히 등전위임이 밝혀졌습니다.

dφ / dl = — E = 0이므로 도체의 어느 지점에서나 φ = const입니다. 도체의 표면도 dφ / dl = — Et = 0이므로 등전위입니다. 도체 표면의 전위는 같습니다. 볼륨의 잠재력에. 이러한 상황에서 대전된 전도체의 보상되지 않은 전하는 전하 캐리어가 쿨롱 힘에 의해 반발되는 표면에만 존재합니다.

Ostrogradsky-Gauss 정리에 따르면 E = 0이므로 도체 부피의 총 전하 q는 0입니다.

도체 근처의 전계 강도 결정

와이어 표면의 면적 dS를 선택하고 표면에 수직인 높이 dl의 생성기가 있는 실린더를 구축하면 dS'= dS''= dS가 됩니다. 전계 강도 벡터 E는 표면에 수직이고 전기 변위 벡터 D는 E에 비례하므로 실린더의 측면을 통과하는 플럭스 D는 0이 됩니다.

dS»를 통한 전기 변위 벡터 Фd의 플럭스도 0입니다. dS»가 도체 내부에 있고 E = 0이므로 D = 0이기 때문입니다. 따라서 닫힌 표면을 통한 dFd는 D ~ dS', dФd = DN * DS. 한편, Ostrogradsky-Gauss 정리에 따르면: dФd = dq = σdS, 여기서 σ는 dS에 대한 표면 전하 밀도입니다. 방정식의 우변의 동등성으로부터 Dn = σ, En = Dn / εε0 = σ / εε0이 됩니다.

결론: 대전된 전도체 표면 근처의 전기장의 강도는 표면 전하 밀도에 정비례합니다.

전선의 전하 분포 실험적 검증

전계 강도가 다른 곳에서는 종이 꽃잎이 다른 방식으로 갈라집니다. 더 작은 곡률 반경(1)의 표면에서 - 최대값, 측면에서(2) - 동일합니다. 여기서 q = const, 즉 전하가 균일하게 분포됩니다.

전선의 전위와 전하를 측정하는 장치인 전위계는 팁의 전하가 최대이고 측면에서는 적으며 내부 표면(3)의 전하가 0임을 나타냅니다.대전선 상단의 전기장의 세기가 가장 크다.

팁의 전계 강도 E가 높기 때문에 전하 누출 및 공기의 이온화로 이어져 이러한 현상이 바람직하지 않은 경우가 많습니다. 이온은 와이어에서 전하를 운반하고 이온 바람 효과가 발생합니다. 이 효과를 반영하는 시각적 데모: 촛불 불 끄기 및 프랭클린의 바퀴. 이것은 정전기 모터를 구축하기 위한 좋은 기초입니다.

금속으로 대전된 볼이 다른 전도체의 표면에 닿으면 전하가 볼에서 전도체로 부분적으로 전달되고 해당 전도체와 볼의 전위가 같아집니다. 볼이 속이 빈 와이어의 내부 표면과 접촉하면 볼의 모든 전하가 속이 빈 와이어의 외부 표면에만 완전히 분산됩니다.

이것은 공의 전위가 중공 와이어의 전위보다 크거나 작거나에 관계없이 발생합니다. 접촉 전 공의 전위가 중공 와이어의 전위보다 낮더라도 공이 공동으로 이동할 때 실험자는 반발력을 극복하기 위해 노력할 것입니다. , 공의 포텐셜이 커지고 전하의 포텐셜 에너지가 증가합니다.

결과적으로 전하는 높은 전위에서 낮은 전위로 흐를 것입니다. 이제 볼의 전하의 다음 부분을 속이 빈 와이어로 옮기면 더 많은 작업이 필요합니다. 이 실험은 전위가 에너지 특성이라는 사실을 명확하게 반영합니다.

로버트 반 데 그라프

Robert Van De Graaf(1901 - 1967)는 뛰어난 미국의 물리학자였습니다. 1922년Robert는 University of Alabama를 졸업하고 나중에 1929년부터 1931년까지 Princeton University에서 근무했으며 1931년부터 1960년까지 Massachusetts Institute of Technology에서 근무했습니다. 그는 핵 및 가속기 기술, 직렬 이온 가속기의 아이디어 및 구현, 고전압 정전기 발전기인 Van de Graaf 발전기의 발명에 관한 다수의 연구 논문을 보유하고 있습니다.

Van De Graaff 발전기의 작동 원리는 위에서 설명한 실험에서와 같이 볼에서 속이 빈 구로 전하를 이동시키는 실험을 다소 연상시키지만 여기서는 프로세스가 자동화됩니다.

컨베이어 벨트는 고전압 DC 소스를 사용하여 양전하를 띤 다음 벨트의 움직임과 함께 큰 금속 구체의 내부로 전하가 전달되고 여기에서 팁에서 대상으로 전달되어 외부 구형 표면에 분포됩니다. 따라서 대지에 대한 전위는 수백만 볼트 단위로 얻어집니다.

현재 Van de Graaff 가속기 발전기가 있습니다. 예를 들어 Tomsk의 핵 물리학 연구소에는 별도의 타워에 설치된 백만 볼트 당 이러한 유형의 ESG가 있습니다.

전기 용량 및 커패시터

위에서 언급한 바와 같이 전하가 도체에 전달되면 특정 전위 φ가 표면에 나타납니다. 그리고 와이어에 따라 전송되는 전하의 양이 동일하더라도 이 전위는 서로 다른 와이어에서 다를 수 있습니다. 전선의 모양과 크기에 따라 전위가 다를 수 있지만 어떤 식 으로든 전하에 비례하고 전하는 전위에 비례합니다.

면의 비율은 용량, 용량 또는 단순히 용량(문맥에 의해 명확하게 암시되는 경우)이라고 합니다.

전기 용량은 전위를 1 단위로 변경하기 위해 도체에 보고해야 하는 전하와 수치적으로 같은 물리량입니다. SI 시스템에서 전기 용량은 패럿(현재 «패럿», 이전 «패럿»)으로 측정되며 1F = 1C / 1V입니다. 따라서 구형 도체(볼)의 표면 전위는 φsh = q / 4πεε0R이므로 Csh = 4πεε0R입니다.

R을 지구의 반지름과 같게 하면 단일 도체로서의 지구의 전기 용량은 700마이크로패럿이 됩니다. 중요한! 이것은 단일 도체로서의 지구의 전기 용량입니다!

하나의 전선에 다른 전선을 가져오면 정전기 유도 현상으로 인해 전선의 전기 용량이 증가합니다. 따라서 서로 가깝게 위치하고 플레이트를 나타내는 두 도체를 커패시터라고합니다.

커패시터의 판 사이, 즉 내부에 정전계가 집중되면 외부 몸체는 전기 용량에 영향을 미치지 않습니다.

커패시터는 평면, 원통형 및 구형 커패시터로 제공됩니다. 전계가 내부에 집중되어 있기 때문에 커패시터 판 사이에서 커패시터의 양전하 판에서 시작하여 음전하 판에서 끝나는 전기 변위선이 있습니다. 따라서 판의 전하는 부호는 반대이지만 크기는 같습니다. 그리고 커패시터의 커패시턴스 C = q / (φ1-φ2) = q / U.

플랫 커패시터의 커패시턴스 공식(예:)

플레이트 사이의 전기장 E의 전압은 E = σ / εε0 = q / εε0S 및 U = Ed와 같으므로 C = q / U = q / (qd / εε0S) = εε0S / d입니다.

S는 판의 면적입니다. q는 커패시터의 전하입니다. σ는 전하 밀도입니다. ε은 플레이트 사이의 유전체의 유전 상수입니다. ε0은 진공의 유전 상수입니다.

충전된 커패시터의 에너지

전선 도체와 함께 충전된 커패시터의 판을 닫음으로써 전선을 즉시 녹일 수 있는 정도의 전류를 관찰할 수 있습니다. 분명히 커패시터는 에너지를 저장합니다. 이 에너지는 정량적으로 무엇입니까?

커패시터가 충전된 다음 방전되는 경우 U'는 해당 플레이트 양단의 순간 전압 값입니다. 전하 dq가 판 사이를 통과하면 작업이 완료됩니다. dA = U'dq. 이 작업은 수치적으로 위치 에너지의 손실과 동일하며 이는 dA = — dWc를 의미합니다. 그리고 q = CU이므로 dA = CU'dU'이고 총 작업 A = ∫ dA입니다. 이전에 대입한 후 이 식을 통합하여 Wc = CU2/2를 얻습니다.