Меню

Ток в идеальном проводнике

Идеальные проводники

Узнайте, что называют идеальным проводником, его характеристики и условия. Читайте определение проводника, электрического поля, плотности потока, сопротивление.

Идеальный проводник способен существовать только в теории, потому что обладает идеальными характеристиками, упрощающими вычисления.

Задача обучения

  • Сопоставьте проводимость и удельное сопротивление идеального проводника.

Основные пункты

  • Проводимость в идеальном проводнике бесконечна (сопротивление = 0).
  • Электрическое поле (Etan) и плотность электрического потока (Dtan) должны достигать нуля.
  • Плотности электрического потока и поверхностного заряда приравниваются. То есть, последний существует на поверхности проводника, а не внутри.
  • Электрическое поле = 0.
  • Распределение заряда зависит от формы, но потенциал на поверхности остается стабильным.

Термины

  • Проводник – материал с перемещающимися электрическими зарядами.
  • Плотность потока – мера потока жидкости, частиц или энергии на единицу площади.

Идеальный проводник можно отыскать исключительно в теории. Это формирование обладает идеальными характеристиками, которые значительно упрощают любые вычисления. То есть, нам не нужно учитывать отклонения. Идеальные свойства:

Проводимость (σ) выступает обратной величиной к сопротивлению. В условиях идеального проводника она становится бесконечной, потому что сопротивление = 0. То есть, здесь необходимо минимальное напряжение, чтобы произвести крайне высокую силу тока. Принцип нулевого сопротивления напоминает нулевое трение.

Электрическое поле (Etan) и плотность электрического потока (Dtan) должны приравниваться к нулю. Дело в том, что все поля и потоки, касающиеся поверхности проводника, должны присутствовать и внутри него.

Если электрическое поле располагается внутри металла, то напряжение между двумя точками снижается вдоль поверхности. В идеальных условиях этого нет, так как влияет на бесконечность проводимости.

Нормальная к поверхности проводника плотность электрического потока равна плотности заряда на поверхности. Можно сказать, что заряд присутствует на поверхности, а не внутри проводника.

При идеальных условиях электрическое поле приравнивается к нулю. Все обвалы вдоль поверхности ведут себя одинаково и противостоят друг другу, поэтому суммирование = 0.

Распределение заряда зависит от формы, но потенциал на поверхности всегда остается неизменным.

Из-за кривизны линии электрического поля расширяются и отделяются, увеличивая дистанцию от поверхности проводника. Поэтому заряды группируются вокруг искривленных участков

Источник

Идеальный проводник

2 идеальный проводник

Рис.6. Дальняя рассеянная волна (дБ)

1 диэлектрик с большими потерями; 2 идеальный проводник.

Для подтверждения результатов численных расчетов были выполнены модельные эксперименты с использованием микроволн частоты 15 ГГц. Упрощенное изображение экспериментального оборудования, установленного в помещении, изолированном от влияния электрических волн, показано на рис.7. Излучающая пирамидоидальная рупорная антенна, центр рассеивающего тела (конечной длины) и приемная пирамидоидальная рупорная антенна устанавливались в одной и той же горизонтальной плоскости. Излучающая антенна находилась в фиксированном положении, приемная антенна могла передвигаться по рельсам, проложенным по окружности с центром на центральной оси рассеивающего тела. При этом расстояние между центральной осью рассеивающего тела и излучающей антенной составляет 3 м. (150 l).

Рис.7. Оборудование для измерения рассеянной волны:

1 — передатчик (излучающая антенна); 2 — приемник (приемная антенна)

То обстоятельство, что при выполнении сравнения экспериментальных результатов и результатов численных расчетов следует соблюдать определенную осторожность, связано с тем, что в экспериментах происходит интерференция падающей и рассеянной волн позади рассеивающего тела и измерение только рассеянной волны с технической точки зрения сопряжено со значительными трудностями. Одним из методов является выполнение сравнения только с отраженной волной. Однако, в данной работе в качестве одной из попыток решено провести сравнение с волной, которая получается в результате умножения падающей плоской волны на весовую функцию:

Читайте также:  Действие магнитного поля по проводнику с током

(33)

При этом функция f(j) представляет собой функцию, которая зависит от приемопередающих характеристик измерительной системы, а именно от угла, под которым происходит прием в электрическом поле принимаемых сигналов приемной антенной при отсутствии рассеивающего тела. В данной работе используется аппроксимация этой функции тригонометрическими функциями так, чтобы при отклонении от точки на одной прямой с передающим рупором больше, чем ± 30° происходило ослабление на — 20 дБ.

На рис.8 представлены измеренные и рассчитанные значения для рассеянной волны в том случае, когда параллелепипед из бетона с поперечным сечением в виде квадрата (25,5 см. х 25,5 см.) облучается электрической волной при угле падения 60°. При этом максимум в рассчитанных значениях равен 0 дБ, а измеренные значения представляют собой значения, которые сопоставляются рассчитанным значениям через максимальный уровень отраженной волны. Использованное в расчетах значение комплексной относительной диэлектрической проницаемости представляет собой значение, найденное по методу кратковременного открытия (short×open) с заполнением микроволнового волновода на 15 ГГц бетоном. Это значение, будучи сравнено с результатами измерений, выполненных другими исследователями, представляется правильным.

Из рис.8 видно, что измеренные значения и рассчитанные значения для отраженной волны хорошо согласуются. С другой стороны, в теневой области (30°-90°) обнаруживаются и чрезвычайно отчетливые различия в этих значениях. В качестве первой причины этих различий можно указать на то обстоятельство, что падающая волна не является плоской волной в реальных экспериментах, а близка к сферической волне. Заключение об этом можно с делать так же и по тому факту, что, вследствие распространения фронта волны, в измеренных значениях более всего проявляется теневая темная часть. В качестве второй

Рис.8. рассеянная волна на диэлектрике с большими потерями: а) — результаты измерений (бетон); b) — результаты расчетов (при ); 1 — Æ(град); 2 — (дБ).

В качестве второй причины можно считать то обстоятельство, что описанная экспериментальная система не является вполне двухмерной моделью. В экспериментах в качестве параллелепипеда используется тело конечной длины (1 м.), установленное на подставке; это приводит к тому, что нельзя пренебрегать влиянием волны, отраженной от подставки. Эти влияния проявляются в заметной интерференции измеренных значений при 10° — 110°. В качестве других причин можно отметить, что рассеянная волна в формуле (33) представляет собой величину, полученную применением просто метода перевала, вряд ли являющуюся хорошим приближением.

Для изучения различий между бетоном и проводником на рис.9 приводится пример результатов для случая , когда рассеивающее тело заменено на проводник с теми же параметрами, что и на рис.8. Измеренные значения относятся к случаю алюминиевой пластины толщиной 1 мм., изготовленной для параллелепипеда, а рассчитанные значения относятся к случаю идеального проводника. И в этом примере обнаруживается, что измеренные значения для отраженной волны и рассчитанные значения хорошо согласуются. Кроме того очевидно, что предположение о том, идеальным проводником является даже алюминиевая пластина, оказывается достаточно правильным. Наконец, сравнивая рис.8, 9, можем заключить, что подавление отраженной волны наблюдается в среде с большими потерями. Это заключение совпадает с заключением, сделанном на основании рис.5, 6.

На рис.10 представлены результаты, которые относятся к случаю, когда ширина равна ширине рассеивающего тела, приведенной на рис.8, а толщина в два раза меньше; угол падения выбран равным 45°. Очевидно, что в той мере, насколько мала толщина, отраженная волна в направлении j= 135° слабее волны, отраженной под углом j= -45°. И в этом примере измеренные значения для отраженной волны хорошо согласуются с рассчитанными значениями.

Читайте также:  Знак постоянного тока мультиметром

Рис.9. Рассеянная на проводнике волна: а) — результаты измерений (алюминий);

b) — результаты расчетов (идеальный проводник); 1 — Æ (град.); 2 — (дБ).

Рис.10. Рассеянная волна диэлектриком с большими потерями: а) — результаты измерений (бетон); b) — результаты расчетов (при ); 1 — Æ (град.); 2 — (дБ)

Приведена точная формулировка задачи рассеяния плоской электромагнитной волны (Е-волны) на параллелепипеде из диэлектрика с большими потерями, в которой используется преобразование Фурье. В терминах преобразований Фурье приведено решение задачи. В том случае, когда ширина рассеивающего тела сравнительно велика по отношению к длине волны, а в среде этого тела имеются большие потери порядка потерь в бетоне, как показывает исследование, расчеты можно значительно упростить. Обсуждены различия по сравнению со случаем идеального проводника.

Источник

Проводник (электрический проводник)

Что такое проводник?

Проводник – это вещество или материал, которое отлично проводит электрический ток.

Как вы все знаете, любое вещество состоит из атомов. Атомы в свою очередь состоят из электронов и ядер

Проводник (электрический проводник)

Давайте для понимания рассмотрим вот такую картинку. Предположим, что пастух – это ядро, а овцы вокруг него – это электроны.

Проводник (электрический проводник)

Те овцы, которые находятся рядом с пастухом, не могут от него просто так взять и убежать, так как он присматривает за ними. Иначе останется без мяса и шерсти к осени. Но вот те овцы, которые находятся поодаль от пастуха, имеют все шансы от него убежать.

То же самое можно сказать и про атомы и электроны. Электроны, которые находятся на самой дальней орбите от ядра менее зависимы, чем те, которые расположены ближе к ядру.

строение атома

В результате, такие электроны могут “оторваться” от ядра и начать самостоятельное путешествие по веществу. Такие электроны называются свободными электронами.

свободные электроны

Сопротивление проводника

Удельное сопротивление

И вот мы плавно переходим к другому вопросу, что такое сопротивление проводника? Как я уже говорил выше, чем больше свободных электронов в веществе, тем лучше такое вещество проводит электрический ток. Следовательно, сопротивление проводника зависит от того, сколько свободных электронов содержит такой проводник. Поэтому, в физике есть такое понятие, как удельное сопротивление вещества.

Еще раз. Если в каком-либо веществе полно свободных электронов, то такое вещество будет хорошо проводить электрический ток. Если электронов еще меньше, то такое вещество будет плохо проводить электрический ток. А если свободных электронов почти нет, то такое вещество совсем не будет проводить ток. Поэтому, удельное сопротивление вещества показывает способность этого вещества препятствовать электрическому току, проходящему через него.

Удельное сопротивление выражается в единицах Ом × м.

Формула удельного сопротивления проводника

формула удельного сопротивления

ρ – это удельное сопротивление, Ом × м

R – сопротивление проводника, Ом

S – площадь поперечного сечения, м 2

l – длина проводника, м

Площадь поперечного сечения проводника – это что-то типа этого:

площадь поперечного сечения проводника

Формула сопротивления проводника

Итак, мы теперь знаем такую физическую величину, как удельное сопротивление. Теперь мы с легкостью можем найти сопротивление проводника.

сопротивление проводника формула

ρ – это удельное сопротивление, Ом × м

R – сопротивление проводника, Ом

S – площадь поперечного сечения, м 2

l – длина проводника, м

Длина проводника

Допустим перед нами стоит задача: у нас есть медный провод с поперечным сечением в 0,1 мм 2 . Нам надо получить сопротивление проводника в 1 Ом. Какая длина проводника должна быть?

Читайте также:  Что такое электрический ток сочинение

Оказывается, эта задачка решается очень просто. Достаточно вспомнить формулу выше.

сопротивление проводника формула

Отсюда получаем, что

длина проводника формула

Удельное сопротивление меди можно узнать из таблицы. Оно равняется 0,017 Ом × мм 2 /м.

таблица удельных сопротивлений материалов

решение задачи длина проводника

Проводники на печатных платах

Как вы знаете, все схемы состоят из проводов или печатных дорожек, которые соединяют различные радиоэлементы в единое целое. Например, в статье “самый простой усилитель звука“, я с помощью проводов соединял различные радиоэлементы, и у меня получилась схема, которая усиливала звуковые частоты.

Для того, чтобы все было красиво, эстетично и занимало мало пространства, прямо на платах создают “проводки”, которые уже называются “печатными дорожками”.

В домашних условиях все это делается с помощью технологии ЛУТ (Лазерно-Утюжная-Технология).

На другой стороне печатной платы уже располагаются радиоэлементы

Так как радиолюбители стараются делать свои устройства как можно меньше по габаритам, то и плотность монтажа возрастает. Поэтому, в некоторых случаях радиоэлементы и печатные дорожки располагают по обе стороны платы.

Промышленные печатные платы уже делают многослойными. Они состоят из слоев, как торт из коржей:

Бум SMD технологий вызвал в свою очередь нужду в многослойных печатных платах.

Сверхпроводимость

Также в природе существует и такой эффект, как сверхпроводимость. Сверхпроводимость – это когда некоторые материалы и их сплавы вообще не обладают сопротивлением. То есть их сопротивление очень и очень близко к нулю. Но, спешу вас разочаровать, в простых условиях это получить невозможно, так как это достигается только при критических температурах.

Если желаете больше узнать про материалы, которые используются в электронике и электротехнике, скачайте эту книгу.

Источник



Идеальный проводник

  • Идеальный проводник — материал, который беспрепятственно проводит электрический ток при любой напряженности электростатического поля, однако обладает обычными магнитными свойствами (положительная или малая отрицательная магнитная восприимчивость).

В природе идеальные проводники не встречаются, однако это полезная модель для случаев, когда сопротивление какого-либо объекта пренебрежимо мало. Так, в электрических схемах провода, как правило, считаются идеальными проводниками; в так называемой идеальной магнитной гидродинамике среду считают идеальным проводником.

Связанные понятия

Магнитосопротивление (магниторезистивный эффект) — изменение электрического сопротивления материала в магнитном поле. Впервые эффект был обнаружен в 1856 Уильямом Томсоном. В общем случае можно говорить о любом изменении тока через образец при том же приложенном напряжении и изменении магнитного поля. Все вещества в той или иной мере обладают магнетосопротивлением. Для сверхпроводников, способных без сопротивления проводить электрический ток, существует критическое магнитное поле, которое разрушает.

Силовая линия, или интегральная кривая, — это кривая, касательная к которой в любой точке совпадает по направлению с вектором, являющимся элементом векторного поля в этой же точке. Применяется для визуализации векторных полей, которые сложно наглядно изобразить каким-либо другим образом. Иногда (не всегда) на этих кривых ставятся стрелочки, показывающие направление вектора вдоль кривой. Для обозначения векторов физического поля, образующих силовые линии, обычно используется термин «напряжённость.

Пинч (англ. pinch — сужение, сжатие) — эффект сжатия токового канала под действием магнитного поля, индуцированного самим током. Сильный ток, протекающий в плазме, твёрдом или жидком металле создаёт магнитное поле. Оно действует на заряженные частицы (электроны и/или ионы), что может сильно изменить распределение тока. При больших токах сила Ампера приводит к деформации проводящего канала, вплоть до разрушения. В природе наблюдается в молниях .

Источник