Провідники в електричному полі

Цей спосіб накопичення зарядів одного знака лежить в основі дії електростатичного генератора-пристрою, який призначений для одержання високої постійної напруги завдяки механічному переносу електричних зарядів.

Розрізняють електростатичні генератори з діелектричним транспортером зарядів із провідним транспортером у вигляді металевих стрижнів або циліндрів, розділених ізоляторами. Діелектричні транспортери виготовляють або у вигляді циліндрів чи дисків(роторні), або у вигляді гнучкої стрічки(генератори Ван де Граафа).

У 1931р. американський фізик Р. Ван де Грааф (1901-1967) виготовив електростатичний генератор (рис.1). Він складався з високовольтного електрода у вигляді пустотілої кулі діаметром кілька метрів, який закріплювався на ізольованих колонах 3,і діелектричної рухомої стрічки (транспортера) 4. Стрічка заряджається від щіток 5 і, рухаючись внаслідок обертання шківа 6, переносить заряд у середину пустотілої кулі 1, де й передає його крізь щітки 2.

З протилежного боку стрічки навпроти щіток 5 поміщають металеву заземлену пластинку для підсилення стікання зарядів із щіток 5 на стрічку 4.

Сила електричного струму, який переноситься транспортером, обчислюється за формулою:

де - поверхнева густина зарядів; - ширина транспортера; - його швидкість. Якщо біля високовольтного електрода 1 на транспортер наносяться заряди протилежного знака, то сила струму збільшується у 2 рази.

Перші зразки генераторів Ван де Графа мали відкриту конструкцію і давали змогу одержувати потенціали до 1МВ. За допомогою сучасних удосконалених генераторів одержують напругу до 20МВ, а ККД електростатичних генераторів становить 15-20%. Електростатичні генератори використовують у прискорювачах заряджених частинок і в слабкострумовій високовольтній техніці.

Поверхня зарядженого провідника при рівновазі є еквіпотенціальною, однак поверхнева густина заряду залежить від кривизни. Досліди, наприклад із сіткою

Кольбе, показують, що поверхнева густина заряду є більшою там, де більша кривизна поверхні. Доведемо це на прикладі двох заряджених куль радіусами R1 і R2, з’єднаних між собою тонким провідником. Після встановлення рівноваги заряди на кулях розподіляються так, що їхні потенціали будуть однаковими, тобто .Оскільки

Отже, поверхнева густина зарядів на кулях обернено пропорційна їхнім радіусам кривизни, тобто де кривизна поверхні зарядженого тіла є більшою, там і густина заряду більша. Оскільки біля поверхні зарядженого провідника , то в місцях з великою кривизною (вістря) і відповідно набувають дуже великих значень. Це сприяє стіканню електричних зарядів із металевих вістер. Стікання зарядів з вістер використовують для побудови блискавковідводів. У високовольтних лініях електропередач стікання зарядів із загострених частин проводів призводять до значних втрат енергії.

Провідники в електричному поліУ нейтральних провідниках завжди є однакова кількість позитивних і негативних зарядів. У провідниках першого ряду (металах) наявні вільні електрони, які перебувають у безперервному хаотичному русі в межах провідника. При внесенні такого провідника в зовнішнє електричне поле (наприклад, однорідне з напруженістю ) на позитивні і негативні заряди діятиме сила : позитивні заряди ця сила зміщуватиме в напрямі , а негативні - у протилежному напрямі. Оскільки позитивні заряди в металах – це іони, закріплені у вузлах кристалічної градки, то вони можуть переміщатись лише на мікроскопічні відстані. Вільні електрони, навпаки, переміщатимуться проти напряму на макроскопічній відстані. Внаслідок цього в металі відбудеться перерозподіл електричних зарядів: ближня грань у напрямі поля зарядиться негативно, а дальня збіднюється електронами і зарядиться позитивно. Явище перерозподілу електричних зарядів у провіднику під дією зовнішнього електричного поля і виникнення внаслідок цього електризації провідника називають електростатичною індукцією або електризацією через вплив. Індуковані на протилежних у напрямі поля гранях провідника різнойменні заряди створюють у середині нього внутрішнє електричне поле, вектор напруженості якого напрямлений протилежно до напряму вектора зовнішнього поля. Переміщення вільних електронів у металі під дією продовжуватиметься доти, доки не настане взаємна компенсація зовнішнього і наведеного полів, тобто стануть рівними за абсолютним значенням .Густина індукованих зарядів на поверхні провідника прямо пропорційно залежить від напруженості зовнішнього електричного поля.