Conductor electric

Conductorul electric este un material capabil să facă să curgă curent electric prin el. Materialele conductoare se caracterizează prin prezența electronilor liberi în banda de valență a atomilor rețelei cristaline ( conductori de primul fel ) sau conțin specii ionice care sunt responsabile de transportarea curentului ( conductori de al doilea fel ). ^[1]

Conductivitatea electrică a unui conductor de primă clasă poate fi interpretată prin intermediul modelului de bandă . Sarcina netă pe un conductor este distribuită pe suprafața sa, deoarece în acest fel sarcinile individuale (care se resping reciproc) își măresc distanța una de cealaltă, ajungând la o configurație care minimizează energia.

Exemple de materiale conductoare

Materialele metalice ( metalele și aliajele acestora) sunt în general bune conductoare; cele mai bune în ordine descrescătoare sunt:

Pe de altă parte, pot conduce cu ușurință electricitatea:

apă (numai dacă nu pură);
Pământul ;
corpul uman .

Conductori în echilibru

În interiorul conductoarelor există sarcini electrice libere să se miște, prin urmare, odată atins echilibrul electrostatic, câmpul electric din interiorul conductorului este neapărat egal cu zero (dacă nu ar fi cazul, sarcinile ar fi accelerate și nu ar exista echilibru). Luând în considerare acest lucru și datorită teoremei debitului, avem în vedere că sarcinile electrice (sau mai bine zis excesele de sarcină) sunt dispuse pe suprafețele exterioare ale conductoarelor.

Fiind

{\vec {E}}_{0}=-{\vec {\nabla }}V_{0}=-\mathrm {grad} V_{0}

{\ displaystyle {\ vec {E}} _ {0} = - {\ vec {\ nabla}} V_ {0} = - \ mathrm {grad} V_ {0}}

{\ displaystyle {\ vec {E}} _ {0} = - {\ vec {\ nabla}} V_ {0} = - \ mathrm {grad} V_ {0}}

câmpul nul înseamnă că spațiul din interiorul conductorului este echipotențial. Este posibil să se demonstreze că, având în vedere condițiile externe, distribuția sarcinii de suprafață a conductorului este unică (cu excepția unui coeficient constant care depinde de potențial) și depinde de geometria conductorului.

Trebuie remarcat faptul că aceasta este o definiție medie macroscopică . În imediata vecinătate a nucleelor atomice există câmpuri electrice foarte intense, care mențin legați electronii ne-liberi.

În afara suprafeței și în apropierea acesteia prin teorema lui Coulomb :

|{\vec {E}}_{0}|={\frac {|\sigma |}{\epsilon _{0}}}

{\ displaystyle | {\ vec {E}} _ {0} | = {\ frac {| \ sigma |} {\ epsilon _ {0}}}}

{\ displaystyle | {\ vec {E}} _ {0} | = {\ frac {| \ sigma |} {\ epsilon _ {0}}}}

unde este $\sigma$ ${\ displaystyle \ sigma}$ $\ sigma$ este densitatea sarcinii de suprafață. În plus, deoarece câmpul este zero în interiorul conductorului, vectorul câmpului electric are o direcție normală în orice punct de pe suprafață:

{\vec {E}}_{0}={\frac {\sigma }{\epsilon _{0}}}\cdot {\vec {n}}

{\ displaystyle {\ vec {E}} _ {0} = {\ frac {\ sigma} {\ epsilon _ {0}}} \ cdot {\ vec {n}}}

{\ displaystyle {\ vec {E}} _ {0} = {\ frac {\ sigma} {\ epsilon _ {0}}} \ cdot {\ vec {n}}}

Se observă că valoarea câmpului electrostatic este mai mare acolo unde $\sigma$ ${\ displaystyle \ sigma}$ $\ sigma$ este mai mare și este posibil să se demonstreze că densitatea sarcinii de suprafață este mai mare acolo unde raza de curbură a suprafeței este mai mică. Cu alte cuvinte, câmpul electrostatic este mai intens în zonele unei suprafețe în formă de vârf, datorită așa-numitului fenomen al puterii de dispersie a vârfurilor . Multe fenomene provin din acest efect, cum ar fi formarea scânteilor între electrozi ascuțiți. Discuția făcută până acum nu este valabilă doar pentru conductori unici, ci și pentru sisteme de mai multe corpuri conductoare puse în contact, de exemplu, prin intermediul unui fir conductor.

Conductor cu cavitate

Dacă conductorul are una sau mai multe cavități în interior, rezultatele nu se schimbă. De fapt, dacă vrem să calculăm fluxul Gauss în interiorul cavității, acesta este zero, deoarece nu conține sarcini. Chiar și în interiorul unei cavități câmpul electrostatic este zero. Potențialul electric rămâne constant.

Inducție electrostatică

Același subiect în detaliu: Inducția electrostatică .

Reprezentarea fenomenului de inducție electrostatică. În acest caz, corpul A încărcat pozitiv determină redistribuirea sarcinilor corpului gol B în interiorul căruia este cuprins corpul A, iar la rândul său corpul B provoacă o redistribuire a sarcinilor corpului C plasate în apropierea acestuia.

Un alt fenomen de o importanță deosebită este inducția electrostatică ; acest fenomen determină un conductor să-și împartă sarcinile dacă este plasat în apropierea unui alt corp încărcat. Un exemplu de inducție electrostatică apare în cazul a doi conductori, dintre care unul este un cablu care conține un alt conductor (de exemplu pozitiv). Dacă cei doi conductori nu sunt plasați în contact, peretele interior al conductorului gol devine încărcat negativ, deoarece sarcinile negative sunt atrase de conductorul interior și cele pozitive sunt respinse de acesta. Astfel, pe suprafața exterioară a conductorului gol există o sarcină pozitivă egală cu cea a conductorului intern, astfel încât să mențină echipotențial spațiul ocupat de cei doi conductori.

Vorbim de inducție completă atunci când doi conductori sunt aranjați în așa fel încât toate liniile de flux pornesc de la un conductor și ajung pe celălalt. Doi conductori între care există inducție completă formează un condensator . Caracteristica cantitativă a conductoarelor și condensatoarelor este capacitatea electrică , care reprezintă exact capacitatea unui conductor sau condensator de a stoca energie.

Conexiune la sol

Același subiect în detaliu: Împământare .

Când un conductor încărcat este conectat „la pământ” (de exemplu Pământul), după un scurt moment, diferența de potențial dintre cei doi conductori este anulată, deoarece sarcina prezentă pe conductor este transferată în totalitate la pământ, lăsând conductorul neutru.

Notă

^ Bianchi , pp. 41-42 .

Bibliografie

Giuseppe Bianchi, Torquato Mussini, Electrochimie , Elsevier, 1976, ISBN 88-214-0500-1 .
Enrico Turchetti, Roman Steps, Elements of Physics , ed. I, Zanichelli, 1998, ISBN 88-08-09755-2 .