تست از توزیع بار رسانا و چگالی بار الکتریکی
توزیع و القای بار در رساناها
جسم رسانایی را که توسط عایقی از محیط اطراف خود جدا شده است رسانای منزوی میگویند.
در یک رسانای منزوی اگر باری اضافی به این جسم رسانا داده شود، و یا آن جسم در یک میدان الکتریکی خارجی قرار گیرد پس از مدت زمان کوتاهی میدان الکتریکی داخل رسانا صفر میشود.
در ادامه این دو وضعیت را بررسی میکنیم:
الف رسانای باردار: در فیزیک طبق آزمایش فارادی ظرف رسانایی با درپوش فلزی را درنظر بگیرید که روی پایۀ نارسانایی قرار دارد و روی درپوش آن دسته ای عایق نصب شده است. ابتدا ظرف بدون بار است. یک گوی فلزی را از نخی عایق آویزان است باردار و سپس وارد ظرف میکنیم آنگاه درپوش فلزی را می بندیم. اکنون گوی را با کف ظرف تماس میدهیم سپس درپوش فلزی را بادستۀ عایقش برمی داریم و پس از خارج کردن گوی فلزی از ظرف، آن را به کلاهک الکتروسکوپ نزدیک میکنیم. مشاهده میشود عقربۀ الکتروسکوپ تکان نمی خورد از این آزمایش نتیجه می گیریم که بار اضافی یک رسانای منزوی روی سطح خارجی آن توزیع میشود. به عبارتی، وقتی گوی با کف ظرف تماس پیدا میکند مجموعۀ گوی و ظرف، رسانایی را تشکیل می دهند که در سطح خارجی این جسم رسانای مرکب بار مشابه توزیع میشود.
ب رسانای منزوی و خنثی در میدان الکتریکی خارجی: اگر یک رسانای خنثی منزوی در یک میدان الکتریکی خارجی قرار داده شود الکترون های آزاد رسانا طوری روی سطح خارجی آن توزیع می شوند که اثر میدان خارجی را درون رسانا خنثی کنند و میدان خالص درون رسانا صفر میشود.
نتیجه نهایی اینکه : در هر دو مورد الف و ب میدان الکتریکی داخل رسانا پس از مدتی برابر صفر میشود؛ زیرا درغیراین صورت، این میدان باید نیروهایی برالکترون های آزاد داخل رسانا وارد کند و در نتیجه جریانی در داخل رسانا ایجاد شود یعنی بارها از جایی بهجای دیگر انتقال یابند. ولی چنین جریانی داخل یک رسانا وجود ندارد، که این بدین معناست که بارها در تعادل الکتروستاتیکی قرار دارند افزون بر این، اگر روی سطح رسانا که در تعادل الکتروستاتیکی است میدان الکتریکی وجود داشته باشد، این میدان باید عمود بر سطح رسانا باشد؛ چرا که در غیراین صورت میدان مؤلفه ای مماس بر سطح رسانا خواهد داشت و این مؤلفه باعث حرکت الکترون های آزاد بر سطح رسانا میگردد که این در تناقض با شرط تعادل الکترواستاتیکی است.
در سال 1873 میلادی مایکل فارادی از در آزمایشی فردی را در یک قفس رسانای بزرگ قرار داد و آن را تا حدی شارژ کرد که بارهای الکتریکی به صورت جرقه از گوشههای آن جریان پیدا کردند.
قفس فارادی علاوه بر اینکه محافظی در برابر امواج بیرونی است، به امواج درون خود نیز اجازه خروج نمیدهد. در این حالت الکترونهای سطح رسانا به گونهای روی سطح داخلی آن آرایش مییابند که اثر بارهای الکتریکی درون قفس را خنثی کنند.
چگالی بار الکتریکی: (ویژه رشته ریاضی)
در اجسام رسانایی که تقارن کروی دارند چگالی بار الکتریکی در تمام سطح رسانا یکسان است ولی در اجسامی که تقارن کروی ندارند، چگالی بار در نقاط نوک تیز بیشتر است اما پتانسیل یکسان است
همچنین چگالی بار از تقسیم اندازه بار بر مساحت سطح خارجی رسانا محاسبه میشود.
دیدگاه شما