Pokud umístíte vodič do elektrického pole nebo jej nabijete, náboj se rozloží po povrchu vodiče. No a když ho umístíme do pole, je jasné, že volné elektrony, které jsou ve vodiči, se začnou pohybovat vlivem sil pole a na koncích vodiče se budou hromadit opačné náboje, dokud pole uvnitř vodiče vyrovnává vnější.
A jak (tedy díky čemu) se náboj objeví na povrchu vodiče, když mu tento náboj udělíme. No, řekněme, že jsme k vodiči přidali 100 elektronů a každý z nich se jmenoval 1,2,3,4,5. 100. Pokud tomu rozumím, když se přebytečný náboj nachází na povrchu, nemusí to nutně být tyto elektrony, které jsme přidali, které skončí na povrchu. Elektrony jsou jen elektrony a nezáleží na tom, co bude tvořit přebytečný náboj na povrchu, ty, které jsme přidali, nebo část těch (volných), které byly ve vodiči?
Chtěl bych pochopit samotný proces vzniku náboje na povrchu, kvůli čemu, nebo se pole v okamžiku, kdy přidáme 100 elektronů k vodiči, objeví uvnitř vodiče na krátkou dobu?
Samozřejmě ne přesně tyhle.
jde jen o to, že jakmile se objeví další náboj, objeví se pole, které donutí elektrony k pohybu, aby se potenciál všude vyrovnal. A to je možné pouze s elektrony na povrchu.
ve skutečnosti je to pole vždy. Zákon superpozice říká, že pole v každém bodě je jednoduše součtem polí každého náboje. Další věc je, že pohyblivost elektronů je přiměje okamžitě se pohybovat. Navíc se to stane téměř okamžitě – a je zde vážná otázka:
Jak se stane, že proud vodičem začne okamžitě (no, rychlostí světla) po celé jeho délce? Přebytečné elektrony nelze přenést tak rychle? Navíc průměrná rychlost elektronů není tak vysoká, pokud to bereme jako plyn, no, maximálně asi 1000 km/sec. Ale při takové rychlosti by telefonický rozhovor s Irkutskem dal 10 sekund!
Zeptal jsem se na to asi tuctu chytrých lidí a dostal jsem asi tucet podivných odpovědí. Nejjasnější bylo „elektrony nemůžete považovat za plyn, musíte považovat vodič za jediný kvantový systém“. No, je to skoro jako “stále to nechápeš”
Mimochodem, když se podíváte na kvantový systém, otázka „jsou to elektrony“ nedává vůbec smysl, jsou k nerozeznání
Čas od času dostávám otázku:
„Proč je rychlost šíření proudu ve vodiči o několik řádů větší než rychlost elektronů ve vodiči? “
A pokud je to člověk daleko od fyziky, vysvětlím toto:
Je tam potrubí. Je v něm voda. Jak známo, skládá se z jednotlivých molekul pohybujících se relativně nízkou rychlostí. Navíc je prakticky nestlačitelný. Na jednom konci potrubí je čerpadlo, na druhém kohoutek. Po otevření kohoutku, bez ohledu na délku potrubí, začne okamžitě téct voda. Nehledě na to, že průměrná rychlost molekul vody v potrubí je malá. Proč? Protože tlak se v kapalině šíří rychlostí mnohem větší, než je rychlost molekul vody.
Elektronový plyn je navzdory svému názvu svými vlastnostmi podobnější kapalině – přinejmenším je také téměř nestlačitelný. A stejně jako je příčinou toku vody otevření kohoutku, příčinou proudu je uzavření okruhu.
A čerpadlo nebo EMF je jen zdroj pole (tlakové pole pro kapalinu a elektromagnetické pole pro vodič)
Z experimentů provedených v elektrostatice je známo, že přebytečné náboje zavedené do vodiče z vnějšku se pohybují na povrch vodiče a zůstávají na povrchu vodiče. Samotný pohyb přebytečných nábojů na povrch vodiče ukazuje na přítomnost elektrického pole uvnitř vodiče během doby pohybu k povrchu vodiče.
Někteří autoři rozpoznávají přítomnost elektrického pole uvnitř vodiče během období pohybu nábojů k povrchu, ale domnívají se, že po období pohybu přebytečných nábojů na povrch již žádné elektrické pole není. Pokud by tomu tak bylo, pak by přebytečné náboje byly ve stavu indiferentní rovnováhy a pohybovaly by se náhodně celým objemem vodiče jako Brownův pohyb molekul, ale to se nestane.
Důvodem výskytu elektrického náboje na povrchu vodiče je tedy, jak jste správně předpokládali, elektrické pole uvnitř vodiče, které drží přebytečné náboje blízko povrchu. A právě toto pole uvnitř vodiče nepůsobí krátkodobě, ale, jak jsme zjistili výše, neustále.
(Použitý zdroj: http*://ru.vlab.wikia.*com/wiki/Electric_field).
Rozložení nábojů ve vodiči je klíčem k pochopení toho, jak fungují elektrické obvody a jak vodiče přenášejí elektrický proud. V tomto článku se podíváme na základy rozložení náboje ve vodiči a na to, jak tato vlastnost ovlivňuje chování elektrických obvodů.
Rovnovážné rozložení nábojů ve vodiči
Rovnovážné rozložení nábojů ve vodiči je stav, kdy jsou elektrické náboje ve vodiči rozloženy tak, že nedochází k žádnému pohybu nábojů a elektrostatické pole uvnitř vodiče je nulové. V tomto stavu jsou elektrostatické síly na náboje způsobené jinými náboji kompenzovány elektrickými silami na nábojích způsobených na opačné straně vodiče.
Náboje ve vodiči jsou distribuovány po povrchu vodiče, nikoli uvnitř něj. K tomu dochází v důsledku skutečnosti, že elektrostatické síly na náboje uvnitř vodiče směřují všemi směry a jsou vzájemně vyváženy, což vede k absenci pohybu náboje. Náboje na povrchu vodiče jsou tedy ve stavu rovnováhy.
Elektrostatické pole uvnitř vodiče je v rovnováze také nulové. K tomu dochází, protože náboje ve vodiči vytvářejí elektrické pole, které je rušeno elektrickým polem způsobeným na opačné straně vodiče. To znamená, že uvnitř vodiče není žádný rozdíl potenciálů, protože všechny náboje jsou v rovnováze.
Elektrostatické pole uvnitř vodiče
Elektrostatické pole uvnitř vodiče je zvláštní jev, ke kterému dochází, když jsou ve vodiči volné náboje. Volné náboje ve vodiči tvoří elektrostatické pole, které ovlivňuje ostatní náboje v blízkých bodech.
Pokud jsou ve vodiči volné náboje, jsou rozmístěny rovnoměrně po povrchu vodiče a tvoří tzv. „rovnovážné rozložení náboje“. V tomto případě není uvnitř vodiče žádné elektrostatické pole, protože náboje jsou v rovnováze.
Pokud se však ve vodiči objeví další náboje, které se nemohou volně pohybovat po povrchu vodiče, například náboje aplikované na drát zvenčí, pak je rovnováha narušena a začíná pohyb volných nábojů ve vodiči.
V tomto případě uvnitř vodiče vzniká elektrostatické pole, které existuje, dokud se náboje ve vodiči nepřerozdělí tak, že se opět ustaví rovnovážné rozložení nábojů.
Příklady aplikací rovnovážného rozložení náboje ve vodičích
Rovnovážné rozložení nábojů ve vodiči hraje důležitou roli v elektrotechnice a elektronice, protože umožňuje vytváření elektrostaticky stabilních systémů a zařízení.
Například obrazovky monitorů a televizních obrazovek jsou vytvářeny pomocí vodičů, na kterých jsou náboje rovnoměrně rozloženy a vytvářejí elektrostatická pole. Rovnovážné rozložení nábojů se také využívá k vytvoření ochrany proti elektrostatickým výbojům v elektronice a elektrotechnice.
Dalším příkladem rovnovážného rozložení nábojů pro elektrostatickou ochranu je ochrana budov a staveb před bleskem.
Ochrana před bleskem se skládá z kovových vodičů umístěných na střechách budov a konstrukcí a uzemňovací soustavy spojující tyto vodiče se zemí. Při úderu blesku do kovového vodiče se náboj rozloží po celém jeho povrchu díky principu rovnováhy elektrostatického pole uvnitř vodiče.
To umožňuje snížit napětí, ke kterému dochází při úderu blesku, a zabránit poškození budovy nebo stavby.
Tímto způsobem je rovnovážné rozložení nábojů využito k vytvoření bezpečné cesty pro výboj blesku, minimalizující škody způsobené výbojem a poskytující ochranu lidem a majetku.
Faradayova klec je příkladem použití distribuce náboje k vytvoření elektrostatického štítu, který chrání zařízení před vnějším elektromagnetickým rušením.
Faradayova klec se skládá z vodivého pletiva, které tvoří mřížku malých buněk. Když je mřížka uzemněna, volné elektronové náboje se pohybují po mřížce a jsou rovnoměrně rozloženy na jejím povrchu, čímž vzniká elektrické pole, které blokuje vnější elektromagnetická pole. To pomáhá chránit zařízení uvnitř Faradayovy klece před rušením a zachovat jeho funkčnost.
Elektrostatické pole uvnitř vodiče může být použito k měření různých parametrů, například k určení potenciálu vodiče. To je možné díky skutečnosti, že intenzita elektrostatického pole je úměrná potenciálu vodiče.
Také elektrostatické pole uvnitř vodiče může být použito k měření náboje na vodiči, protože náboj na vodiči je úměrný síle elektrostatického pole uvnitř vodiče.
Rozložení náboje v nerovnovážném stavu
Rozložení nábojů ve vodiči se může změnit v přítomnosti jiných nábojů, což vede ke vzniku elektrostatických sil a proudů. K tomu dochází, když je na vodič aplikován elektrický náboj nebo je vodič v elektrickém poli.
Když je na vodič aplikován náboj, začnou se náboje pohybovat, aby dosáhly rovnováhy. V důsledku toho mohou vznikat proudy a napětí.
Rozložení nábojů uvnitř vodiče se může lišit v závislosti na tvaru vodiče, jeho velikosti, náboji a dalších parametrech.
Rozložení nábojů v nerovnovážném stavu může mít různé praktické aplikace. Například v elektronice se používá k vytváření různých elektronických zařízení, jako jsou kondenzátory, diody, tranzistory a další.
Například distribuce náboje v kondenzátoru může nastat v nerovnovážném stavu, když je na desky kondenzátoru aplikován elektrický náboj. V tomto případě se na povrchu desek začnou hromadit náboje a polarizace vodiče způsobí přerozdělení nábojů uvnitř vodiče.
Když je kondenzátor připojen ke zdroji stejnosměrného proudu a nabíjen, náboje se budou pohybovat z jedné desky na druhou, dokud se na deskách neustaví potenciálový rozdíl rovný napětí zdroje. Pokud je kondenzátor vybitý, dojde k opačnému procesu a náboje se začnou přesouvat zpět na původní desku.
V nerovnovážném stavu tedy bude rozložení nábojů v kondenzátoru záviset na vnějším zdroji, který poskytuje energii pro nabíjení nebo vybíjení kondenzátoru.
Kromě toho lze rozložení náboje využít ve vědeckém výzkumu ke studiu vlastností vodičů a elektrostatických polí. Může mít také praktické aplikace v oblasti elektrostatické ochrany, kde lze změnou distribuce náboje snížit elektrostatický náboj a zabránit vzniku rozptýlených výbojů.
Využití rozložení náboje k měření potenciálu a náboje vodičů
Jedním z příkladů praktické aplikace rozložení náboje je použití Hallova jevu. Tento efekt nastává, když elektrický proud prochází polovodičovým materiálem v magnetickém poli.
V tomto případě se náboje v polovodiči začnou odchylovat do strany, což vede k akumulaci nábojů na bočních plochách vzorku. Pro měření magnetického pole lze tedy využít rozložení nábojů v polovodiči.
Dalším příkladem praktické aplikace rozložení náboje je použití elektrostatických sil k manipulaci s částicemi v mikro- a nanoměřítku.
Například v nanotechnologii lze elektrická pole využít k řízení pohybu nanočástic, vytváření obrazců na povrchu materiálu atd.
Rozložení náboje lze také použít k měření náboje molekul a atomů, stejně jako k vytvoření elektronických součástek, jako jsou kondenzátory a tranzistory.
Obecně platí, že rozložení náboje hraje důležitou roli v mnoha oblastech vědy a techniky a je jedním ze základních pojmů elektrostatiky.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
