Konduktor dalam medan listrik

Di kabel - di logam dan elektrolit ada pembawa muatan. Dalam elektrolit ini adalah ion, dalam logam - elektron. Partikel bermuatan listrik ini mampu bergerak di sekitar seluruh volume konduktor di bawah pengaruh medan elektrostatik eksternal. Elektron konduksi dalam logam yang dihasilkan dari kondensasi uap logam karena berbagi elektron valensi adalah pembawa muatan dalam logam.

Kekuatan dan potensi medan listrik dalam konduktor

Dengan tidak adanya medan listrik eksternal, konduktor logam netral secara elektrik, karena di dalamnya medan elektrostatik sepenuhnya dikompensasi oleh muatan negatif dan positif dalam volumenya.

Jika konduktor logam dimasukkan ke dalam medan elektrostatik eksternal, maka elektron konduksi di dalam konduktor akan mulai mendistribusikan kembali, mereka akan mulai bergerak dan bergerak sehingga di mana-mana dalam volume konduktor terdapat medan ion positif dan medan konduksi. elektron pada akhirnya akan mengkompensasi medan elektrostatik eksternal.

Jadi, di dalam konduktor yang terletak di medan elektrostatik eksternal, pada titik mana pun kekuatan medan listrik E akan menjadi nol. Perbedaan potensial di dalam konduktor juga akan menjadi nol, yaitu potensial di dalam akan menjadi konstan. Artinya, kita melihat bahwa konstanta dielektrik logam cenderung tak terhingga.

Tetapi pada permukaan kawat, intensitas E akan diarahkan normal ke permukaan itu, karena jika tidak, komponen tegangan yang diarahkan secara tangensial ke permukaan kawat akan menyebabkan muatan bergerak sepanjang kawat, yang akan bertentangan dengan distribusi statis yang sebenarnya. Di luar, di luar kawat, ada medan listrik, artinya ada juga vektor E yang tegak lurus permukaan.

Akibatnya, dalam keadaan stabil, konduktor logam yang ditempatkan di medan listrik eksternal akan memiliki muatan berlawanan tanda di permukaannya, dan proses pembentukan ini membutuhkan waktu nanodetik.

Perisai elektrostatik didasarkan pada prinsip bahwa medan listrik eksternal tidak menembus konduktor. Gaya medan listrik eksternal E dikompensasi oleh medan listrik normal (tegak lurus) pada permukaan konduktor En, dan gaya tangensial Et sama dengan nol. Ternyata konduktor dalam situasi ini sepenuhnya ekuipotensial.

Di titik mana pun pada konduktor seperti itu φ = const, karena dφ / dl = — E = 0. Permukaan konduktor juga ekuipotensial, karena dφ / dl = — Et = 0. Potensi permukaan konduktor sama dengan potensi volumenya. Muatan yang tidak terkompensasi pada konduktor bermuatan, dalam situasi seperti itu, hanya berada di permukaannya, di mana pembawa muatan ditolak oleh gaya Coulomb.

Menurut teorema Ostrogradsky-Gauss, muatan total q dalam volume konduktor adalah nol, karena E = 0.

Penentuan kekuatan medan listrik di dekat konduktor

Jika kita memilih luas dS dari permukaan kawat dan membangun di atasnya sebuah silinder dengan generator setinggi dl tegak lurus dengan permukaan, maka kita akan mendapatkan dS '= dS' '= dS. Vektor kekuatan medan listrik E tegak lurus terhadap permukaan dan vektor perpindahan listrik D sebanding dengan E, oleh karena itu fluks D melalui permukaan sisi silinder akan menjadi nol.

Fluks vektor perpindahan listrik Фd melalui dS» juga nol, karena dS» ada di dalam konduktor dan ada E = 0, oleh karena itu D = 0. Oleh karena itu, dFd melalui permukaan tertutup sama dengan D melalui dS', dФd = Dn*dS. Sebaliknya, menurut teorema Ostrogradsky-Gauss: dФd = dq = σdS, di mana σ adalah kerapatan muatan permukaan pada dS. Dari persamaan sisi kanan persamaan dapat disimpulkan bahwa Dn = σ, dan kemudian En = Dn / εε0 = σ / εε0.

Kesimpulan: Kekuatan medan listrik di dekat permukaan konduktor bermuatan berbanding lurus dengan kerapatan muatan permukaan.

Verifikasi eksperimental distribusi muatan pada kabel

Di tempat-tempat dengan kekuatan medan listrik yang berbeda, kelopak kertas akan menyimpang dengan cara yang berbeda. Pada permukaan jari-jari kelengkungan yang lebih kecil (1) - maksimum, pada permukaan samping (2) - sama, di sini q = const, yaitu muatan terdistribusi secara merata.

Elektrometer, alat untuk mengukur potensial dan muatan pada kawat, akan menunjukkan bahwa muatan di ujung maksimum, di permukaan samping lebih kecil, dan muatan di permukaan dalam (3) adalah nol.Kekuatan medan listrik di bagian atas kawat bermuatan paling besar.

Karena kekuatan medan listrik E di ujungnya tinggi, hal ini menyebabkan kebocoran muatan dan ionisasi udara, oleh karena itu fenomena ini seringkali tidak diinginkan. Ion membawa muatan listrik dari kawat dan efek angin ion terjadi. Demonstrasi visual yang mencerminkan efek ini: meniup nyala lilin dan roda Franklin. Ini adalah dasar yang baik untuk membangun motor elektrostatik.

Jika bola bermuatan logam menyentuh permukaan konduktor lain, muatan akan ditransfer sebagian dari bola ke konduktor dan potensi konduktor itu dan bola akan menyamakan. Jika bola bersentuhan dengan permukaan bagian dalam kawat berongga, maka semua muatan dari bola akan didistribusikan sepenuhnya hanya pada permukaan luar kawat berongga.

Ini akan terjadi apakah potensi bola lebih besar dari kawat berongga atau lebih kecil. Sekalipun potensial bola sebelum kontak lebih kecil dari potensial kawat berongga, muatan dari bola akan mengalir sepenuhnya, karena ketika bola bergerak ke dalam rongga, pelaku eksperimen akan melakukan usaha untuk mengatasi gaya tolak, yaitu. , potensi bola akan bertambah, energi potensial muatan akan meningkat.

Akibatnya, muatan akan mengalir dari potensial yang lebih tinggi ke potensial yang lebih rendah. Jika sekarang kita mentransfer bagian selanjutnya dari muatan pada bola ke kawat berongga, maka akan diperlukan lebih banyak pekerjaan. Eksperimen ini dengan jelas mencerminkan fakta bahwa potensi adalah karakteristik energi.

Robert Van De Graaf

Robert Van De Graaf (1901 - 1967) adalah fisikawan Amerika yang brilian. Pada tahun 1922Robert lulus dari Universitas Alabama, kemudian, dari tahun 1929 hingga 1931, bekerja di Universitas Princeton, dan dari tahun 1931 hingga 1960 di Institut Teknologi Massachusetts. Dia memegang sejumlah makalah penelitian tentang teknologi nuklir dan akselerator, ide dan implementasi akselerator ion tandem, dan penemuan generator elektrostatik tegangan tinggi, generator Van de Graaf.

Prinsip pengoperasian generator Van De Graaff agak mirip dengan eksperimen dengan transfer muatan dari bola ke bola berongga, seperti dalam eksperimen yang dijelaskan di atas, tetapi di sini prosesnya otomatis.

Sabuk konveyor bermuatan positif menggunakan sumber DC tegangan tinggi, kemudian muatan ditransfer dengan pergerakan sabuk ke bagian dalam bola logam besar, di mana ia dipindahkan dari ujung ke sana dan didistribusikan di permukaan bola luar. Jadi potensi sehubungan dengan bumi diperoleh dalam jutaan volt.

Saat ini terdapat generator akselerator van de Graaff, misalnya di Lembaga Penelitian Fisika Nuklir di Tomsk terdapat ESG jenis ini per sejuta volt yang dipasang di menara terpisah.

Kapasitas listrik dan kapasitor

Seperti disebutkan di atas, ketika muatan ditransfer ke konduktor, potensi φ tertentu akan muncul di permukaannya. Dan untuk kabel yang berbeda, potensi ini akan berbeda, meskipun jumlah muatan yang ditransfer ke kabel sama. Bergantung pada bentuk dan ukuran kawat, potensinya bisa berbeda, tetapi dengan satu atau lain cara itu akan sebanding dengan muatan dan muatan akan sebanding dengan potensi.

Rasio sisi disebut kapasitas, kapasitas atau hanya kapasitas (bila tersirat dengan jelas oleh konteksnya).

Kapasitansi listrik adalah kuantitas fisik yang secara numerik sama dengan muatan yang harus dilaporkan ke konduktor untuk mengubah potensinya sebesar satu unit. Dalam sistem SI, kapasitas listrik diukur dalam farad (sekarang «farad», sebelumnya «farad») dan 1F = 1C / 1V. Jadi, potensial permukaan konduktor bola (bola) adalah φsh = q / 4πεε0R, oleh karena itu Csh = 4πεε0R.

Jika kita mengambil R sama dengan jari-jari Bumi, maka kapasitansi listrik Bumi sebagai konduktor tunggal akan sama dengan 700 mikrofarad. Penting! Ini adalah kapasitansi listrik Bumi sebagai konduktor tunggal!

Jika Anda membawa kabel lain ke satu kabel, maka karena fenomena induksi elektrostatik, kapasitas listrik kabel akan meningkat. Jadi, dua konduktor yang terletak berdekatan dan mewakili pelat disebut kapasitor.

Ketika medan elektrostatik terkonsentrasi di antara pelat kapasitor, yaitu di dalamnya, badan eksternal tidak mempengaruhi kapasitas listriknya.

Kapasitor tersedia dalam kapasitor datar, silinder, dan bola. Karena medan listrik terkonsentrasi di dalam, di antara pelat kapasitor, garis perpindahan listrik, mulai dari pelat kapasitor yang bermuatan positif, diakhiri dengan pelat bermuatan negatif. Oleh karena itu, muatan pada pelat berlawanan tanda tetapi sama besarnya. Dan kapasitansi kapasitor C = q / (φ1-φ2) = q / U.

Rumus kapasitansi kapasitor datar (misalnya)

Karena tegangan medan listrik E antar pelat sama dengan E = σ / εε0 = q / εε0S dan U = Ed, maka C = q / U = q / (qd / εε0S) = εε0S / d.

S adalah luas pelat; q adalah muatan kapasitor; σ adalah densitas muatan; ε adalah konstanta dielektrik dielektrik di antara pelat; ε0 adalah konstanta dielektrik vakum.

Energi kapasitor bermuatan

Dengan menutup pelat kapasitor bermuatan bersama-sama dengan konduktor kawat, seseorang dapat mengamati arus yang memiliki kekuatan sedemikian rupa untuk segera melelehkan kawat. Jelas, kapasitor menyimpan energi. Apakah energi ini secara kuantitatif?

Jika kapasitor diisi dan kemudian dikosongkan, maka U' adalah nilai sesaat tegangan pada pelatnya. Ketika muatan dq lewat di antara pelat, usaha akan dilakukan dA = U'dq. Pekerjaan ini secara numerik sama dengan hilangnya energi potensial, yang berarti dA = - dWc. Dan karena q = CU, maka dA = CU'dU', dan total usaha A = ∫ dA. Dengan mengintegrasikan ungkapan ini setelah sebelumnya mensubstitusi, kita memperoleh Wc = CU2/2.