Come vengono distribuite le cariche in un conduttore quando scorre la corrente
Portatori di carica e loro movimento
Un conduttore è una sostanza in cui i portatori iniziano a muoversi sotto l'influenza del minimo campo elettrico esterno. Quando non c'è campo esterno, i campi di ioni positivi ed elettroni negativi si annullano a vicenda. Abbiamo esaminato un problema correlato in modo più dettagliato e confrontato conduttori, dielettrici e semiconduttori in un articolo pubblicato in precedenza.
Considera un oggetto metallico che si trova in un campo elettrico. I portatori di carica iniziano a muoversi sotto l'influenza di un campo esterno a causa del fatto che le forze di Coulomb iniziano ad agire sui portatori di carica. Inoltre, la direzione di azione di queste forze su portatori positivi e negativi si trova in una direzione diversa. Il movimento si interrompe se la somma delle intensità dei campi esterno e interno diventa zero, cioè:
Erez = E interno + E esterno = 0
In questo caso, l'intensità del campo è pari a:
E = dF / dt
Se la tensione è zero, il potenziale all'interno del corpo è uguale a un numero costante. Ciò diventerà chiaro se esprimiamo il potenziale di questa formula e integriamo, ovvero:
Gli ioni positivi e gli elettroni dell'intero volume corporeo si precipitano sulla sua superficie per compensare la tensione campo elettrico. Quindi, all'interno del conduttore, il campo elettrico diventa uguale a zero, poiché è bilanciato dai portatori di carica dalla sua superficie.
! interessante Una superficie su cui è presente lo stesso potenziale in tutti i punti è chiamata equipotenziale.
Se consideriamo questo problema in modo più dettagliato, quando un conduttore viene introdotto in un campo elettrico, gli ioni positivi si muovono contro le sue linee di campo e gli elettroni negativi nella stessa direzione. Ciò accade fino a quando non vengono distribuiti e il campo nel conduttore diventa uguale a zero. Tali accuse sono chiamate indotte o in eccesso.
! importante Quando le cariche vengono comunicate al materiale conduttivo, vengono distribuite in modo da raggiungere uno stato di equilibrio. Le stesse cariche si respingono e tendono in conformità con la direzione delle linee di forza del campo elettrico.
Ne consegue che il lavoro di spostamento dei portatori di carica è zero, il che equivale alla differenza potenziale. Quindi il potenziale in diverse parti del conduttore è uguale a un numero costante e non cambia.È importante sapere che in un dielettrico, per strappare un vettore di carica, ad esempio un elettrone da un atomo, devono essere applicate grandi forze. Pertanto, i fenomeni descritti in senso generale sono osservati su corpi conduttivi.
Capacità elettrica di un conduttore solitario
Innanzitutto, considera il concetto di conduttore solitario. Questo è un conduttore remoto da altri conduttori e corpi carichi. Inoltre, il potenziale dipenderà dalla sua carica.
La capacità elettrica di un conduttore solitario è la capacità di un conduttore di sostenere una carica distribuita. Prima di tutto, dipende dalla forma del conduttore.
Se due di questi corpi sono separati da un dielettrico, ad esempio aria, mica, carta, ceramica, ecc. - prendi un condensatore. La sua capacità dipende dalla distanza tra le piastre e dalla loro area, nonché dalla potenziale differenza tra loro.
Le formule descrivono la dipendenza della capacità dalla differenza potenziale e dalle dimensioni geometriche di un condensatore piatto. Ulteriori informazioni su cos'è la capacità elettrica, puoi dal nostro articolo separato.
Distribuzione della carica e forma del corpo
Pertanto, la densità di distribuzione dei portatori di carica dipende dalla forma del conduttore. Consideralo con l'esempio delle formule per una sfera.
Supponiamo di avere una certa sfera carica metallica, con raggio R, densità di carica sulla superficie G e potenziale F. Quindi:
Dall'ultima formula derivata, possiamo capire che la densità è approssimativamente inversamente proporzionale al raggio della sfera.
Cioè, più convesso e nitido è l'oggetto, maggiore è la densità dei portatori in questo luogo. Su superfici concave, la densità è minima. Questo può essere visto nel video:
Applicazione pratica
Se si tiene conto di quanto sopra, vale la pena notare che la corrente scorre attraverso il cavo e viene distribuita, come se fosse il diametro esterno del tubo. Ciò è dovuto alle caratteristiche della distribuzione degli elettroni in un corpo conduttore.
È curioso che quando la corrente fluisce in sistemi con una corrente ad alta frequenza, si osserva un effetto pelle. Questa è la distribuzione delle cariche sulla superficie dei conduttori. Ma in questo caso si osserva uno strato "conduttore" ancora più sottile.
Cosa significa questo? Ciò suggerisce che affinché si verifichi una corrente di intensità simile con una frequenza di rete di 50 Hz e una frequenza di 50 kHz in un circuito ad alta frequenza, sarà richiesta una sezione trasversale maggiore del nucleo conduttivo. In pratica, ciò si osserva nella commutazione degli alimentatori. Sono proprio tali correnti che scorrono nei loro trasformatori. Per aumentare l'area della sezione trasversale, scegliere un filo spesso o avvolgere gli avvolgimenti con più vene contemporaneamente.
La dipendenza della distribuzione della densità dalla forma della superficie descritta nella sezione precedente viene utilizzata in pratica nei sistemi di protezione contro i fulmini. È noto che per proteggere dai danni da fulmine, è installato uno dei tipi di protezione da fulmini, ad esempio un parafulmine. Sulla sua superficie si accumulano particelle cariche, a causa delle quali lo scarico si verifica proprio al suo interno, il che conferma ancora una volta ciò che è stato detto sulla loro distribuzione.
Infine, ti consigliamo di guardare un video in cui, in parole semplici, viene spiegato e mostrato graficamente come sono distribuite le cariche nel conduttore:
Questo è tutto ciò che volevamo dirti su come avviene la distribuzione della carica nel conduttore quando scorre la corrente. Speriamo che le informazioni fornite siano comprensibili e utili per te!
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