Wie Ladungen in einem Leiter verteilt werden, wenn Strom fließt
Ladungsträger und ihre Bewegung
Ein Leiter ist eine Substanz, in der sich Träger unter dem Einfluss des geringsten äußeren elektrischen Feldes zu bewegen beginnen. Wenn kein externes Feld vorhanden ist, heben sich die Felder positiver Ionen und negativer Elektronen gegenseitig auf. Wir haben ein verwandtes Thema genauer untersucht und verglichen Leiter, Dielektrika und Halbleiter in einem früher veröffentlichten Artikel.
Stellen Sie sich ein Metallobjekt vor, das sich in einem elektrischen Feld befindet. Die Ladungsträger beginnen sich unter dem Einfluss eines externen Feldes zu bewegen, da die Coulomb-Kräfte beginnen, auf die Ladungsträger zu wirken. Darüber hinaus liegt die Wirkrichtung dieser Kräfte auf positive und negative Träger in einer anderen Richtung. Die Bewegung stoppt, wenn die Summe der Intensitäten des externen und des internen Feldes Null wird, dh:
Erez = E intern + E extern = 0
In diesem Fall ist die Feldstärke gleich:
E = dF / dt
Wenn die Spannung Null ist, ist das Potential im Körper gleich einer konstanten Zahl. Dies wird deutlich, wenn wir das Potenzial dieser Formel ausdrücken und integrieren, dh:
Positive Ionen und Elektronen aus dem gesamten Körpervolumen strömen an seine Oberfläche, um die Spannung auszugleichen elektrisches Feld. Dann wird das elektrische Feld innerhalb des Leiters gleich Null, da es durch Ladungsträger von seiner Oberfläche ausgeglichen wird.
Interessant! Eine Oberfläche, auf der an allen Punkten das gleiche Potential vorhanden ist, wird als Äquipotential bezeichnet.
Wenn wir dieses Problem genauer untersuchen, bewegen sich positive Ionen gegen seine Feldlinien und negative Elektronen in die gleiche Richtung, wenn ein Leiter in ein elektrisches Feld eingeführt wird. Dies geschieht so lange, bis sie verteilt sind und das Feld im Leiter gleich Null wird. Solche Ladungen werden als induziert oder überschüssig bezeichnet.
Wichtig! Wenn die Ladungen an das leitende Material übertragen werden, werden sie so verteilt, dass ein Gleichgewichtszustand erreicht wird. Die gleichen Ladungen stoßen sich ab und tendieren entsprechend der Richtung der Kraftlinien des elektrischen Feldes.
Daraus folgt, dass die Arbeit des Bewegens von Ladungsträgern Null ist, was gleich der Potentialdifferenz ist. Dann ist das Potential in verschiedenen Teilen des Leiters gleich einer konstanten Zahl und ändert sich nicht.Es ist wichtig zu wissen, dass in einem Dielektrikum große Kräfte angewendet werden müssen, um einen Ladungsträger, beispielsweise ein Elektron, von einem Atom abzureißen. Daher werden die beschriebenen Phänomene im allgemeinen Sinne an leitenden Körpern beobachtet.
Elektrische Kapazität eines einzelnen Leiters
Betrachten Sie zunächst das Konzept eines einzelnen Leiters. Dies ist ein Leiter, der von anderen geladenen Leitern und Körpern entfernt ist. Darüber hinaus hängt das Potenzial davon von seiner Ladung ab.
Die elektrische Kapazität eines einzelnen Leiters ist die Fähigkeit eines Leiters, eine verteilte Ladung zu halten. Zunächst kommt es auf die Form des Leiters an.
Wenn zwei solcher Körper durch ein Dielektrikum getrennt sind, beispielsweise Luft, Glimmer, Papier, Keramik usw. - einen Kondensator besorgen. Seine Kapazität hängt vom Abstand zwischen den Platten und ihrer Fläche sowie von der Potentialdifferenz zwischen ihnen ab.
Die Formeln beschreiben die Abhängigkeit der Kapazität von der Potentialdifferenz und von den geometrischen Abmessungen eines Flachkondensators. Erfahren Sie mehr über Was ist elektrische Kapazitätkönnen Sie aus unserem separaten Artikel.
Ladungsverteilung und Körperform
Die Verteilungsdichte von Ladungsträgern hängt also von der Form des Leiters ab. Betrachten Sie dies am Beispiel von Formeln für eine Kugel.
Angenommen, wir haben eine bestimmte metallisch geladene Kugel mit Radius R, Ladungsdichte auf der Oberfläche G und Potential F. Dann:
Aus der zuletzt abgeleiteten Formel können wir verstehen, dass die Dichte ungefähr umgekehrt proportional zum Radius der Kugel ist.
Das heißt, je konvexer und scharfer das Objekt ist, desto größer ist die Dichte der Träger an dieser Stelle. Auf konkaven Oberflächen ist die Dichte minimal. Dies ist im Video zu sehen:
Praktische Anwendung
Wenn wir das Obige berücksichtigen, ist es erwähnenswert, dass der Strom durch das Kabel fließt und sich wie durch den Außendurchmesser des Rohrs verteilt. Dies ist auf die Eigenschaften der Elektronenverteilung in einem leitenden Körper zurückzuführen.
Es ist merkwürdig, dass beim Stromfluss in Systemen mit hochfrequentem Strom ein Hauteffekt beobachtet wird. Dies ist die Ladungsverteilung auf der Oberfläche der Leiter. In diesem Fall wird jedoch eine noch dünnere "leitende" Schicht beobachtet.
Was bedeutet das? Dies legt nahe, dass für den Stromfluss einer ähnlichen Größe mit einer Netzfrequenz von 50 Hz und einer Frequenz von 50 kHz in einem Hochfrequenzkreis ein größerer Querschnitt des leitenden Kerns erforderlich ist. In der Praxis wird dies beim Schalten von Netzteilen beobachtet. Es sind genau solche Ströme, die in ihren Transformatoren fließen. Um die Querschnittsfläche zu vergrößern, wählen Sie entweder einen dicken Draht oder wickeln Sie die Wicklungen mit mehreren Adern gleichzeitig.
Die im vorherigen Abschnitt beschriebene Abhängigkeit der Dichteverteilung von der Oberflächenform wird in der Praxis in Blitzschutzsystemen verwendet. Es ist bekannt, dass zum Schutz vor Blitzschäden eine der Blitzschutzarten, beispielsweise ein Blitzableiter, installiert ist. Auf seiner Oberfläche sammeln sich geladene Teilchen an, wodurch die Entladung genau darin erfolgt, was wiederum bestätigt, was über ihre Verteilung gesagt wurde.
Schließlich empfehlen wir, ein Video anzusehen, in dem in einfachen Worten erklärt und grafisch dargestellt wird, wie die Ladungen im Leiter verteilt sind:
Dies ist alles, was wir Ihnen darüber erzählen wollten, wie die Ladungsverteilung im Leiter auftritt, wenn Strom fließt. Wir hoffen, dass die bereitgestellten Informationen für Sie verständlich und nützlich waren!
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