ไฟฟ้าสถิตกับตัวนำ
| English | ไทย |
|---|---|
| electrostatic equilibrium/ɪˌlektrəʊˈstætɪk ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ | สมดุลไฟฟ้าสถิต |
| Faraday cage/ˈfærədeɪ keɪdʒ/ | กรงฟาราเดย์ |
ทำไมรถโลหะถึงที่เป็นที่ปลอดภัยที่สุดในพายุฟ้าผ่า?
- ฟ้าผ่ากระทบรถ แต่ผู้โดยสารภายในไม่ได้รับอันตราย
- ตัวนำ ห่อหุ้มผู้โดยสารไว้ในพื้นที่ที่ไม่มีประจุและไม่มีสนาม
- อิเล็กตรอนอิสระในโลหะจัดเรียงตัวทันทีเพื่อล้างสนามภายใน
- บทเรียนนี้เกี่ยวกับพฤติกรรมของตัวนำหลังจากประจุหยุดเคลื่อนที่
ไม่มีสนามภายใน ในสภาวะสมดุล
- เมื่อประจุ settle ลง (electrostatic equilibrium) สนาม ภายใน ตัวนำจะเป็นศูนย์
- ถ้าไม่เป็นเช่นนั้น ประจุอิสระจะรู้สึกถึงแรงและเคลื่อนที่ต่อไป — ไม่อยู่ในสภาวะ settled
- ดังนั้น $E = 0$ ทุกที่ภายในโลหะ
- ช่องว่างใดๆ ภายในก็ถูกป้องกันด้วยเช่นกัน — นั่นคือ Faraday cage
ภายในตัวนำในสมดุลไฟฟ้าสถิต, สนามไฟฟ้าคือ:
หากมันไม่ใช่ศูนย์ ประจุอิสระจะเคลื่อนที่ — ดังนั้นที่สมดุล $E = 0$ ภายใน.
ตัวนำกลวงป้องกันพื้นที่ภายในจากสนามภายนอก (กรงฟาราเดย์)
ตัวนำลบลดสนามภายในช่องว่าง — กรงฟาราเดย์
ประจุทั้งหมดอยู่บนพื้นผิว
- เนื่องจากสนามภายในเป็นศูนย์ จึงไม่มีประจุสุทธิที่อยู่ภายในได้
- ประจุเกินทุกส่วนถูกดันออกไปที่ พื้นผิว
- กฎของ Gauss ยืนยันสิ่งนี้: พื้นผิว Gaussian ใดๆ ภายในจะ包围ประจุเป็นศูนย์
- ประจุกระจายตัวเพื่อให้ตัวนำทั้งหมดมีศักย์เท่ากัน
ประจุเกินบนตัวนำแข็งจะอยู่:
ด้วยสนามภายในเป็นศูนย์ ประจุเกินทั้งหมดต้องอยู่บนพื้นผิว
สนามด้านนอกพื้นผิวเล็กน้อย
- ด้านนอกพื้นผิวเล็กน้อย สนามจะ ตั้งฉาก กับพื้นผิว
- หากมีสนามขนาน มันจะดันประจุบนพื้นผิวไปด้านข้าง — แต่พวกมันหยุดแล้ว
- ขนาดของมันคือ $E = \dfrac{\sigma}{\varepsilon_0}$ ซึ่งกำหนดโดยความหนาแน่นของประจุบนพื้นผิว $\sigma$
- ด้านในราบเรียบ, ด้านนอกตั้งฉากเท่านั้น
ตัวนำที่มีประจุอยู่ในสมดุล
จัดประเภทแต่ละข้อเกี่ยวกับตัวนำในสมดุลไฟฟ้าสถิต
บริเวณภายนอกพื้นผิวตัวนำทันที สนามมีค่า ____ กับพื้นผิว
องค์ประกอบขนานจะทำให้ประจุบนพื้นผิวเคลื่อนที่ ดังนั้น $E$ จึงตั้งฉาก
เลือก ทุก ข้อความที่ถูกต้องเกี่ยวกับตัวนำที่處於สมดุล
สนามภายในเป็นศูนย์, ประจุบนพื้นผิว, ศักย์เดียว. ประจุไม่เคยเติมเต็มปริมาตร
ประจุสะสมที่ปลายแหลม
- บนตัวนำที่ไม่เรียบ ประจุจะสะสมบริเวณที่พื้นผิวโค้งงออย่างรุนแรง
- ปลายแหลมมีความหนาแน่น $\sigma$ สูงที่สุด และมีสนามแรงที่สุด
- นั่นคือเหตุผลที่สาย lightning rod มี ปลายแหลม — เพราะสนามที่นี่ทำให้อากาศเกิดไอออนก่อน
- รูปทรงเรียบกลมช่วยกระจายประจุได้สม่ำเสมอกว่า
บนตัวนำ ประจุและสนามมีค่าสูงสุดที่:
ประจุสะสมที่ปลายแหลม ให้ $\sigma$ และสนามที่สูงที่สุด
คุณนั่งอยู่ภายในกรงโลหะเมื่อแท่งที่มีประจุสัมผัสกับด้านนอก
- ประจุจะกระจายตัวบนพื้นผิวด้านนอกของกรง
- ภายในมี $E = 0$ ดังนั้นคุณจึงไม่รู้สึกอะไร — กรงทำหน้าที่ป้องกันคุณ
"$E = 0$ ภายใน" เป็นจริงเฉพาะในสภาวะ สมดุลทางไฟฟ้าสถิต เมื่อประจุได้จัดเรียงตัวเรียบร้อยแล้ว ในช่วงเวลาสั้นๆ ที่มีการจัดเรียงใหม่ สนามไฟฟ้าภายในจะไม่เป็นศูนย์ และหลักการนี้ใช้กับ วัสดุ ของตัวนำ ไม่ใช่กับประจุที่คุณวางไว้ในช่องว่างภายใน
ในสภาวะ สมดุลทางไฟฟ้าสถิต ตัวนำจะมี $E = 0$ ภายใน ทำให้ประจุส่วนเกินทั้งหมดอยู่บน พื้นผิว และตัวนำทั้งชิ้นมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน ทันทีภายนอก มี $E = \sigma/\varepsilon_0$ และตั้งฉากกับพื้นผิว; ประจุจะหนาแน่นที่ ปลายแหลม