Cómo se distribuyen las cargas en un conductor cuando la corriente fluye
Cargadores y su movimiento.
Un conductor es una sustancia en la cual los portadores comienzan a moverse bajo la influencia del más mínimo campo eléctrico externo. Cuando no hay campo externo, los campos de iones positivos y electrones negativos se cancelan entre sí. Examinamos un problema relacionado con más detalle y comparamos conductores, dieléctricos y semiconductores en un artículo publicado anteriormente.
Considere un objeto de metal que se encuentra en un campo eléctrico. Los portadores de carga comienzan a moverse bajo la influencia de un campo externo porque las fuerzas de Coulomb comienzan a actuar sobre los portadores de carga. Además, la dirección de acción de estas fuerzas sobre portadores positivos y negativos se encuentra en una dirección diferente. El movimiento se detiene si la suma de las intensidades de los campos externo e interno se convierte en cero, es decir:
Erez = E interno + E externo = 0
En este caso, la intensidad del campo es igual a:
E = dF / dt
Si la tensión es cero, entonces el potencial dentro del cuerpo es igual a algún número constante. Esto quedará claro si expresamos el potencial de esta fórmula e integramos, es decir:
Los iones y electrones positivos de todo el volumen del cuerpo corren hacia su superficie para compensar la tensión. campo eléctrico. Luego, dentro del conductor, el campo eléctrico se vuelve igual a cero, ya que está equilibrado por portadores de carga desde su superficie.
¡Interesante! Una superficie en la que el mismo potencial está presente en todos los puntos se denomina equipotencial.
Si consideramos este problema con más detalle, cuando un conductor se introduce en un campo eléctrico, los iones positivos se mueven contra sus líneas de campo y los electrones negativos en la misma dirección. Esto sucede hasta que se distribuyen, y el campo en el conductor se vuelve igual a cero. Tales cargas se llaman inducidas o en exceso.
Importante! Cuando las cargas se comunican al material conductor, se distribuyen de modo que se alcanza un estado de equilibrio. Las mismas cargas repelerán y tenderán de acuerdo con la dirección de las líneas de fuerza del campo eléctrico.
Se deduce que el trabajo de los transportistas de carga en movimiento es cero, lo que equivale a la diferencia de potencial. Entonces el potencial en diferentes secciones del conductor es igual a un número constante y no cambia.Es importante saber que en un dieléctrico, para arrancar un portador de carga, por ejemplo, un electrón de un átomo, se deben aplicar grandes fuerzas. Por lo tanto, los fenómenos descritos en un sentido general se observan en cuerpos conductores.
Capacidad eléctrica de un conductor solitario.
Primero, considere el concepto de un conductor solitario. Este es un conductor que está alejado de otros conductores y cuerpos cargados. Además, el potencial dependerá de su carga.
La capacidad eléctrica de un conductor solitario es la capacidad de un conductor para mantener una carga distribuida. En primer lugar, depende de la forma del conductor.
Si dos de estos cuerpos están separados por un dieléctrico, por ejemplo, aire, mica, papel, cerámica, etc. - Consigue un condensador. Su capacidad depende de la distancia entre las placas y su área, así como de la diferencia de potencial entre ellas.
Las fórmulas describen la dependencia de la capacitancia de la diferencia de potencial y de las dimensiones geométricas de un capacitor plano. Aprender más sobre ¿Qué es la capacidad eléctrica?, puedes desde nuestro artículo separado.
Distribución de carga y forma del cuerpo.
Entonces, la densidad de distribución de los portadores de carga depende de la forma del conductor. Considere esto con el ejemplo de fórmulas para una esfera.
Supongamos que tenemos una determinada esfera cargada metálica, con radio R, densidad de carga en la superficie G y potencial F. Luego:
A partir de la última fórmula derivada, podemos entender que la densidad es aproximadamente inversamente proporcional al radio de la esfera.
Es decir, cuanto más convexo y afilado sea el objeto, mayor será la densidad de portadores en este lugar. En superficies cóncavas, la densidad es mínima. Esto se puede ver en el video:
Aplicación práctica
Si tiene en cuenta lo anterior, vale la pena señalar que la corriente fluye a través del cable y se distribuye, como si fuera por el diámetro exterior de la tubería. Esto se debe a las características de la distribución de electrones en un cuerpo conductor.
Es curioso que cuando la corriente fluye en sistemas con una corriente de alta frecuencia, se observa un efecto en la piel. Esta es la distribución de cargas en la superficie de los conductores. Pero en este caso, se observa una capa "conductora" aún más delgada.
Qué significa eso? Esto sugiere que para que ocurra una corriente de una magnitud similar con una frecuencia de red de 50 Hz y una frecuencia de 50 kHz en un circuito de alta frecuencia, se requerirá una sección transversal más grande del núcleo conductor. En la práctica, esto se observa al cambiar las fuentes de alimentación. Son precisamente esas corrientes las que fluyen en sus transformadores. Para aumentar el área de la sección transversal, elija un cable grueso o enrolle los devanados con varias vetas a la vez.
La dependencia de la distribución de densidad de la forma de la superficie descrita en la sección anterior se utiliza en la práctica en los sistemas de protección contra rayos. Se sabe que para proteger contra el daño de los rayos, se instala uno de los tipos de protección contra rayos, por ejemplo, un pararrayos. En su superficie, las partículas cargadas se acumulan, por lo que la descarga ocurre precisamente en ella, lo que confirma nuevamente lo que se dijo sobre su distribución.
Finalmente, recomendamos ver un video en el que, en palabras simples, se explica y se muestra gráficamente cómo se distribuyen las cargas en el conductor:
Esto es todo lo que queríamos decirle acerca de cómo ocurre la distribución de carga en el conductor cuando fluye la corriente. ¡Esperamos que la información proporcionada sea comprensible y útil para usted!
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