ميدان داخل يك رسانا

رسانا بودن يك فلز اثر مهمي بر ميدان الكتريكي داخل و خارج آن دارد. در مواد رسانا بارها تحت اثر نيروي الكتريكي (كه از ميدان الكتريكي حاصل شده است) به حركت در مي‌آيند.

فرض كنيد مقداري الكترون اضافي در داخل يك تكه مس قرارداده مي شود (شكل روبه‌رو). به هر يك از اين الكترون ها نيروي دافعه‌اي وارد مي‌شود كه منشاء آن ميدان الكتريكي بارهاي مجاور مي‌باشد.

به دليل رسانا بودن، الكترون هاي اضافي توسط اين نيرو به سطح مس رانده مي‌شوند تا بيشترين فاصله را از يكديگر داشته باشند. به محض اينكه شرايط استاتيكي (ايستايي) حاصل شد، تمام بارهاي اضافي در سطح قرار گرفته و ديگر هيچ حركتي در بارها روي نخواهد داد.

به طريق مشابه بارهاي مثبت اضافي به سطح رسانا منتقل مي‌شوند.

به طور كلي، تحت شرايط تعادل الكترواستاتيكي، هر بار اضافه در رسانا فقط بر روي سطح آن قرار مي گيرد.

اكنون ميدان الكتريكي درون رسانا را مورد بررسي قرار مي‌دهيم. اگر ميدان الكتريكي در داخل رسانا وجود داشته باشد نيروي خالصي ( E=qE ) به بارها وارد مي‌شود كه باعث به وجود آمدن جريان كوتاه مدت در فلز مي‌گردد.

زمان جابه جايي بارهاي آزاد در رسانا براي رسيدن به حالت تعادل به نوع رسانا بستگي دارد. براي مس و رسانا هاي خـوب ايـن زمـان بـسيار كـوتـاه مي‌باشد (حدود 10^-12 ثانيه) و در عمل از اين زمان صرفه نظر مي شود.

در شكل زير استوانه رساناي بدون ‌باري را مشاهده مي‌كنيد كه در شرايط تعادل الكترواستاتيكي در وسط صفحات يك خازن با صفحات موازي قرار گرفته است.

بارهاي القا شده بر روي سطح استوانه، خطوط ميدان الكتريكي خازن را تغيير مي‌دهند. از آن جا كه ميدان الكتريكي داخل رسانا صفر است، خطوط ميدان نمي‌تواند داخل استوانه شوند.

در حقيقت خطوط ميدان به بارهاي القا شده در استوانه خاتمه يافته يا از آن ها شروع مي‌شوند. بنابراين به يك بار آزمون در داخل رسانا، هيچ نيرويي از طرف بارهاي روي صفحات خازن اعمال نمي شود. به بيان ديگر جسم رسانا، هر بار واقع در داخلش را از ميدان الكتريكي خارج رسانا حفاظت مي‌كند. اين توانايي حفاظت، به واسطه بارهاي القايي در سطح فلز حاصل مي شود.

از آن جا كه ميدان الكتريكي داخل رسانا صفر است، اگر حفره‌اي در داخل رسانا به وجود آيد هيچ تغـيـيري در مطـالـب گفـته شـده در بالا حاصـل نشده و ميدان الكتريكي در آن نيز صفر خواهد بود. به شكل زير توجّه كنيد:

بنابراين فضاي داخل حفره از ميدان الكتريكي خارجي حفاظت شده است. اين موضوع كاربرد مهمي در حفاظت مدارهاي الكترونيكي دارد. ميدان هاي الكتريكي آشفته كه توسط وسايل الكتريكي خانگي به وجود مي‌آيند (مثل سشوار، مخلوط كن يا جارو برقي) مي‌توانند بر مدارهاي آمپلي فاير، راديو، تلويزيون و كامپيوتر اثر بگذارند.

براي حذف چنين ميدان هايي، مدارهاي الكترونيكي اين وسايل داخل جعبه هاي فلزي قرار مي‌گيرند تا با اين روش در برابر ميدان‌هاي الكتريكي آشفته حفاظت شوند.

شكل زير نكته ديگري را نيز در بر دارد.

در اين شكل مشاهده مي‌كنيد كه چگونه خطوط ميدان الكتريكي خارجي توسط رسانا تغيير شكل يافته اند. خطوط ميدان طوري تغيير يافته اند كه در خارج سطح يك رسانا، عمود بر سطح ‌باشند.

اگر خطوط ميدان، عمود بر سطح رسانا نباشند (شكل مقابل) آن گاه ميدان الكتريكي مؤلفه‌اي موازي سطح دارد. از آنجا كه الكترون ها روي سطح رسانا مي‌توانند حركت كنند، آن گاه اين مؤلفه موازي ميدان باعث به حركت در آمدن بارهاي سطحي مي‌شود.

امّا مي‌دانيم كه در شرايط الكترواستاتيكي بارها حركت نمي كنند. پس ميدان الكتريكي در سطح فلز مؤلفه مماسي نداشته و بنابراين ميدان الكتريكي حتماً عمود بر سطح رسانا مي‌باشد.

مطالب گفته شده در بالا فقط در شرايط تعادل الكترواستاتيكي (الكتريسيته ساكن) درست مي‌باشد. اين ويژگي ها ارتباط نزديكي با بارهاي آزاد متحرّك در رسانا دارد و به عبارتي ديگر مطالب فوق براي مواد نارسانا برقرار نمي باشد.

مرکزيادگيري سايت تبيان - تهيه: محسني

تنظيم: مريم فروزان کيا