Распределение заряда

Прежде чем объяснять тему распределения заряда, давайте сначала разберемся с двумя основными типами распределений, с которыми мы сталкиваемся. Например, у нас есть 20 свечей, и мы расставляем их в комнате во время праздника. Мы можем посчитать количество свечей в нашей коллекции. Этот тип распределения свечей в комнате известен как дискретное распределение.

Кажется, что в комнате все еще чего-то не хватает. Давайте добавим немного цветного порошка к картинке, чтобы добавить немного изюминки. Теперь мы начинаем распределять порошок основного цвета и делать узоры. Можем ли мы сосчитать каждую частицу в порошке? Не практически, верно? Это связано с очень большим (фактически бесконечным) количеством цветных частиц в порошке. Потому что частиц порошка так много и потому что они могут различаться по цвету. Мы можем смешивать окрашенные частицы для получения практически бесконечного выбора различных цветовых комбинаций в зависимости от относительной концентрации каждого основного окрашенного порошка. Таким образом можно создать любую цветовую комбинацию, включая цвета, которые, кажется, находятся где-то между основными цветами. Поскольку в спектре цветов, который мы можем создать таким образом, нет пробелов, мы называем это распределение непрерывным распределением.

Ранее мы изучали, как отдельный заряд ведет себя в электрическом поле. Что, если у нас есть большое количество заряда, равномерно распределенного по поверхности проводника? Можно ли провести аналогию между цветным порошком и бесконечным количеством способов смешивания цветов? Как и цветной порошок, заряд поставляется в крошечных отдельных пакетах. Существует несколько различных заряженных элементарных частиц, включая электроны, протоны и т.д., Но все эти частицы относительно малы по сравнению с макроскопическим масштабом, в котором мы работаем изо дня в день. Эти заряженные частицы настолько малы, что если мы возьмем целый ансамбль таких частиц, мы можем создать почти бесконечное разнообразие распределений заряда, расположив заряды по-разному. Подобно цветному порошку, поверхность проводника состоит из дискретных, счетных электронов, но электронов так много. Они настолько малы, что в конечном итоге их практически невозможно подсчитать, и в нашем макроскопическом масштабе они ведут себя как свободно текущая жидкость, которая может принимать любую форму и более или менее занимать любой объем (игнорируя электромагнитные силы притяжения и отталкивания), что означает, что мы можем рассматривать их как непрерывное распределение.

Значение распределения заряда

Мы знаем, что подвижность носителей заряда внутри проводников выше, чем в изоляторах. Когда проводнику передается некоторый избыточный заряд, электростатическая сила отталкивания между ними заставляет их максимально отдаляться друг от друга. Кроме того, они занимают как можно больше места на поверхности проводника, чтобы минимизировать эту силу отталкивания.

Существует равномерное распределение заряда по поверхности проводника. Это распределение известно как распределение поверхностного заряда.

Примеры и типы распределения заряда

Изучаются три основных типа распределения заряда, которые отличаются геометрией:

Линейное распределение заряда

Распределение заряда на поверхности

Объемное распределение заряда

Каждый тип распределения заряда имеет разную плотность заряда в зависимости от количества пространственных измерений в ситуации. Краткое описание и объяснение каждого типа приведены ниже.

Линейное распределение заряда

Когда заряд равномерно распределен по одномерной длине материала, то такой тип распределения заряда известен как линейное распределение заряда. Плотность заряда в таких случаях известна как линейная плотность заряда. Электропроводящие провода часто моделируются как линейные распределения заряда из-за их приблизительно одномерной природы.

Объемное распределение заряда

Когда заряд равномерно распределен по рассматриваемому материалу, этот тип распределения известен как объемное распределение заряда. Плотность заряда, в данном случае, известна как объемная плотность заряда или плотность заряда.

Распределение заряда в проводниках и изоляторах

В изоляторах электроны прочно связаны с ядром. Следовательно, для освобождения электронов требуется много энергии, чтобы увеличить их подвижность внутри изоляторов. С другой стороны, электроны внутри проводников могут свободно перемещаться, поскольку они лишь слабо связаны с ядром. Таким образом, подвижность носителей заряда более значительна в проводниках чем в изоляторах.

Теперь подумайте о том, что произойдет, если мы подадим некоторый заряд на проводник и изолятор.

В случае проводников

Носители заряда в проводнике могут быстро перемещаться благодаря высокой мобильности. Не ограниченные ядром и под действием электростатических сил отталкивания между каждым электроном, заряды распространяются как можно дальше друг от друга, распределяясь по поверхности проводника.

В случае изоляторов

Носители заряда в изоляторах не могут быстро перемещаться из-за сильной электростатической силы притяжения между ядрами атомов и их электронами. Другими словами, подвижность носителей заряда (электронов) в изоляторах низкая. Следовательно, даже под действием электростатической силы отталкивания они продолжают оставаться связанными с ядрами атомов, и перераспределения заряда, которое происходит в случае изоляторов, не происходит.

Распределение заряда при различных способах зарядки

Существует три основных метода зарядки, о которых вы должны знать:

Зарядка трением

Зарядка с помощью индукции

Зарядка за счет проводимости

Распределение заряда в каждом случае отличается из-за других материалов, используемых в каждом случае.
Зарядка трением

Изоляторы могут заряжаться методом трения. Например, когда два изолятора трутся друг о друга, электроны переносятся с одного изолятора на другой, что приводит к перераспределению заряда между изоляторами. В результате один изолятор заряжается положительно, а другой - отрицательно.

Заряд на каждом изоляторе не перераспределяется по материалу изолятора, как в проводнике. Таким образом, несмотря на электростатическое отталкивание между зарядами, подвижность носителей заряда все еще низкая, что означает, что электроны не могут свободно перемещаться.

Зарядка с помощью индукции

Когда положительно заряженный металлический стержень подносят к незаряженной металлической сфере, на стороне первоначально незаряженной металлической сферы, обращенной к стержню, индуцируется равный и противоположный заряд из-за электростатической силы притяжения между суммарным положительным зарядом в стержне и электронами в металлической сфере. Аналогично, из-за электростатического отталкивания, суммарный положительный заряд образуется на противоположной стороне изначально незаряженной сферы. Таким образом, наличие заряда может превратить незаряженный проводник в поляризованный проводник.

Заземляя другую сторону металлической сферы, положительный заряд cпередается на землю.

При снятии заземления со сферы на ней остается отрицательный заряд, который перераспределяется таким образом, что заряд распространяется по поверхности проводника.

Перераспределение зарядов происходит в проводнике из-за электростатической силы отталкивания. Однако это перераспределение возможно только при удалении заряженного стержня, потому что электростатическая сила притяжения между положительным зарядом в стержне и отрицательным зарядом электронов в сфере удерживает электроны, притянутые к одной стороне сферы. Следовательно, сфера остается поляризованной до тех пор, пока стержень не будет удален.

Следовательно, из приведенного выше объяснения мы можем сказать, что на распределение заряда влияет электростатическая сила (или электрическое поле).

Зарядка за счет проводимости

Когда заряженная металлическая сфера соприкасается с незаряженной, но идентичной металлической сферой, заряд переносится с одной сферы на другую. После переноса заряда суммарный заряд на каждом проводнике одинаков.

Чтобы позволить заряду перераспределиться по поверхности, мыдолжны перемещать сферы, поскольку электростатическая сила отталкивания действует между зарядами на любой сфере из-за сетчатого заряда на каждой сфере.

Приведенное выше показывает, что наличие электрического заряда влияет на распределение зарядов. Мы также можем сказать, что электрическое поле / электростатическая сила влияет на распределение зарядов.

Распределение заряда - основные выводы

Изоляторы не имеют распределения заряда, поскольку носители заряда не подвижны.
Заряд в проводнике распределяется по поверхности из-за электростатической силы отталкивания.
Суммарный заряд внутри проводника равен нулю.
Электрическое поле внутри проводника равно нулю.