Comment les charges sont réparties dans un conducteur lorsque le courant circule
Charge les transporteurs et leur mouvement
Un conducteur est une substance dans laquelle les porteurs commencent à se déplacer sous l'influence du moindre champ électrique externe. Lorsqu'il n'y a pas de champ externe, les champs d'ions positifs et d'électrons négatifs s'annulent. Nous avons examiné une question connexe plus en détail et comparé conducteurs, diélectriques et semi-conducteurs dans un article publié plus tôt.
Considérons un objet métallique qui se trouve dans un champ électrique. Les porteurs de charge commencent à se déplacer sous l'influence d'un champ extérieur du fait que les forces coulombiennes commencent à agir sur les porteurs de charge. De plus, la direction d'action de ces forces sur les porteurs positifs et négatifs se situe dans une direction différente. Le mouvement s'arrête si la somme des intensités des champs externes et internes devient nulle, c'est-à-dire:
Eres = E interne + E externe = 0
Dans ce cas, l'intensité du champ est égale à:
E = dF / dt
Si la tension est nulle, le potentiel à l'intérieur du corps est égal à un certain nombre constant. Cela deviendra clair si nous exprimons le potentiel de cette formule et intégrons, c'est-à-dire:
Les ions et électrons positifs de tout le volume du corps se précipitent à sa surface afin de compenser la tension champ électrique. Ensuite, à l'intérieur du conducteur, le champ électrique devient nul, car il est équilibré par des porteurs de charges depuis sa surface.
Intéressant! Une surface sur laquelle le même potentiel est présent en tous points est appelée équipotentielle.
Si nous considérons cette question plus en détail, alors lorsqu'un conducteur est introduit dans un champ électrique, les ions positifs se déplacent contre ses lignes de force et les électrons négatifs dans la même direction. Cela se produit jusqu'à ce qu'ils soient distribués et que le champ dans le conducteur devienne égal à zéro. Ces charges sont appelées induites ou excédentaires.
Important! Lorsque les charges sont communiquées au matériau conducteur, elles sont réparties de manière à atteindre un état d'équilibre. Les mêmes charges se repousseront et tendent en fonction de la direction des lignes de force du champ électrique.
Il s'ensuit que le travail des porteurs de charges en mouvement est nul, ce qui est égal à la différence de potentiel. Ensuite, le potentiel dans différentes parties du conducteur est égal à un nombre constant et ne change pas.Il est important de savoir que dans un diélectrique, pour arracher un porteur de charge, par exemple un électron d'un atome, de grandes forces doivent être appliquées. Par conséquent, les phénomènes décrits dans un sens général sont observés sur les corps conducteurs.
Capacité électrique d'un conducteur solitaire
Considérons d'abord le concept d'un conducteur solitaire. Il s'agit d'un conducteur éloigné des autres conducteurs et corps chargés. De plus, son potentiel dépendra de sa charge.
La capacité électrique d'un conducteur solitaire est la capacité d'un conducteur à contenir une charge répartie. Tout d'abord, cela dépend de la forme du conducteur.
Si deux de ces corps sont séparés par un diélectrique, par exemple de l'air, du mica, du papier, de la céramique, etc. - prenez un condensateur. Sa capacité dépend de la distance entre les plaques et leur surface, ainsi que de la différence de potentiel entre elles.
Les formules décrivent la dépendance de la capacité à la différence de potentiel et aux dimensions géométriques d'un condensateur plat. En savoir plus sur quelle est la capacité électrique, vous pouvez le voir dans notre article séparé.
Répartition des charges et forme du corps
Ainsi, la densité de distribution des porteurs de charge dépend de la forme du conducteur. Considérez ceci avec l'exemple de formules pour une sphère.
Supposons que nous ayons une certaine sphère chargée métallique, de rayon R, de densité de charge à la surface G et de potentiel F. Alors:
À partir de la dernière formule dérivée, nous pouvons comprendre que la densité est approximativement inversement proportionnelle au rayon de la sphère.
C'est-à-dire que plus l'objet est convexe et pointu, plus la densité des porteurs est élevée à cet endroit. Sur les surfaces concaves, la densité est minimale. Cela peut être vu dans la vidéo:
Application pratique
Si vous tenez compte de ce qui précède, il convient de noter que le courant traverse le câble et est distribué, comme par le diamètre extérieur du tuyau. Cela est dû aux caractéristiques de la distribution des électrons dans un corps conducteur.
Il est curieux que lorsque le courant circule dans des systèmes à courant haute fréquence, un effet cutané est observé. Il s'agit de la répartition des charges à la surface des conducteurs. Mais dans ce cas, une couche «conductrice» encore plus mince est observée.
Qu'est-ce que ça veut dire? Cela suggère que pour un flux de courant d'une ampleur similaire avec une fréquence de réseau de 50 Hz et une fréquence de 50 kHz dans un circuit à haute fréquence, une plus grande section transversale du noyau conducteur sera nécessaire. En pratique, cela est observé lors de la commutation des alimentations. Ce sont précisément ces courants qui circulent dans leurs transformateurs. Pour augmenter la surface en coupe, choisissez un fil épais ou enroulez les enroulements avec plusieurs veines à la fois.
La dépendance de la distribution de densité sur la forme de la surface décrite dans la section précédente est utilisée en pratique dans les systèmes de protection contre la foudre. Il est connu que pour se protéger contre les dommages causés par la foudre, un des types de protection contre la foudre, par exemple un paratonnerre, est installé. À sa surface, des particules chargées s'accumulent, ce qui fait que la décharge s'y produit précisément, ce qui confirme à nouveau ce qui a été dit sur leur distribution.
Enfin, nous vous recommandons de regarder une vidéo dans laquelle, en termes simples, elle explique et montre clairement comment les charges sont réparties dans le conducteur:
C'est tout ce que nous voulions vous dire sur la façon dont la distribution de charge dans le conducteur se produit lorsque le courant circule. Nous espérons que les informations fournies vous seront compréhensibles et utiles!
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