Поверхностные заряды на заземленных проводниках в цепях и передача энергии

Я думаю, вы хорошо разбираетесь в общих понятиях, касающихся поверхностных зарядов.

Повлияет ли заземление на поверхностные заряды в вашей цепи? Практически нет.

Заряды не будут стекать с поверхности заземленного проводника на землю.

Если вы заземлите заряженный проводник, весь его заряд переместится на землю и оставит проводник нейтральным. Но ваша цепь с самого начала нейтральна, поэтому нет лишнего заряда, от которого нужно избавиться.

Существование поверхностных зарядов в вашей цепи связано с емкостью проводов. Из-за этой емкости некоторые заряды от батареи будут перемещаться к проводам и от них, чтобы зарядить этот небольшой конденсатор, даже если цепь разомкнута.

Причина, по которой эти заряды остаются на поверхности проводов, заключается в том, что избыточные заряды всегда остаются на поверхности проводников. Но эти поверхностные заряды будут избыточны лишь локально — где-то еще в цепи будет равное количество поверхностных зарядов противоположного знака и, следовательно, цепь в целом останется нейтральной.

Если один из проводов заземлен, скажем, провод, присоединенный к отрицательной клемме батареи, пара электронов будет двигаться к земле, как если бы это был другой кусок провода, что может немного увеличить емкость между проводами. .

Но эта увеличенная емкость будет ограничена размером второго, положительного провода, и, следовательно, она все равно будет очень маленькой, поэтому не потребуется много дополнительного заряда, чтобы поддерживать одинаковое (батарейное) напряжение между двумя проводами.

Если мы замкнем цепь и пропустим ток через лампочку, распределение поверхностных зарядов изменится, чтобы отразить новый профиль напряжения (небольшая часть напряжения батареи упадет на провода, в то время как большая часть напряжения упадет). на лампочку), но цепь в целом останется нейтральной и, следовательно, никакие заряды не выйдут наружу, если ее в какой-либо точке заземлить.

Другими словами, влияние заземления на распределение поверхностных зарядов все равно будет незначительным и будет связано с малейшими изменениями емкости между проводами.

Заземление проводника означает, что он будет находиться в проводящем контакте с землей, которая имеет потенциал неизменного значения, обычно равный 0.

Если ток в системе стационарен, это означает, что и сам проводник будет иметь такой же потенциал.

Но это не означает, что все носители заряда будут высосаны в землю. Заряды по-прежнему необходимы на поверхности проводника, чтобы создать внутри него электрическое поле, соответствующее току, протекающему через него (необходимое поле можно рассчитать по току, используя локальный закон Ома).

Если бы все отрицательные заряды были высосаны, суммарный заряд проводника был бы большим и положительным, а это означало бы, что проводник притягивает отрицательные заряды отовсюду, включая землю. Итак, следующее, что произойдет, это то, что проводник будет втягивать отрицательные заряды обратно из земли, пока не будет достигнуто равновесие.

Вам может пригодиться программа VPython tinyurl.com/SurfaceCharge, которая позволяет в интерактивном режиме исследовать электрическое поле поверхностных зарядов, распределение которых было рассчитано в автономном режиме. В первой ситуации, «Поляризованный металлический блок», вы обнаружите, что результирующее электрическое поле справа от металлического блока на самом деле значительно больше, чем поле из-за внешних зарядов (положительный заряд слева от блока). Другими словами, металл НЕ «блокирует» электрическое поле, поле справа от блока становится больше, а не меньше, когда металл перемещается в его положение.

Затем исследуйте электрическое поле в аналогичной ситуации, но в «Заземленном» металлическом объекте металл (приблизительно) заземлен, и вы обнаружите, что результирующее поле справа от металлического блока почти равно нулю. Уменьшите масштаб, и вы увидите, что отличие этой ситуации от первой состоит в том, что этот кусок металла прикреплен к отдаленному металлическому блоку, который имитирует роль всей Земли в плане «заземления». Заметим также, что вблизи внешнего заряда имеется большая концентрация отрицательного заряда на левой стороне близлежащего металла, но почти нет заряда на правой стороне, в отличие от ситуации в первом случае. В заземленном случае, когда чистое поле справа почти равно нулю, чистое поле слева от близлежащего металла больше, чем оно было бы без присутствия заземленного металла.

Другие примеры на tinyurl.com/SurfaceCharge включают различные конфигурации цепей. Хотя ни один из них даже приблизительно не «заземлен», должно быть так, что на поле в проводах цепи не повлияет заземление одной точки цепи. Поляризация будет продолжаться (очень быстро), чтобы зарядить заземляющий провод и удаленный проводящий материал таким образом, что в стационарном состоянии по заземляющему проводу не будет протекать ток, хотя будут некоторые изменения в деталях распределения поверхностного заряда вблизи место в цепи, к которому присоединяется заземляющий провод. Хотя распределение поверхностного заряда изменится при заземлении, поле в проводах цепи не изменится.

Чтобы увидеть, как одно и то же поле и ток в цепи могут быть вызваны очень разными внешними условиями, исследуйте ситуации, обозначенные как «В соленоиде» и «В соленоиде не по центру». Я понимаю, что в данный момент вы не хотите интересоваться законом Фарадея, но на данный момент примите тот факт, что внутри длинного соленоида с магнитным полем, однородным по всему соленоиду, если ток (и магнитное поле) возрастает с постоянной скоростью во времени, возникает волнообразный («некулоновский») характер электрического поля. Обратите внимание на то, насколько сильно по-разному поляризуется цепь, но структура электрического поля одинакова. Вот моя статья в блоге об этом случае: https://brucesherwood.net/?p=138

Что касается VPython, см. vpython.org и Glowscript.org.

Брюс Шервуд