الموصلات والمواسعة الكهربائية
تعيد الموصلات ترتيب شحنتها الحرة بحيث يتلاشى المجال داخلها؛ وتقيس المواسعة الكهربائية كمية الشحنة التي يخزنها النظام لكل وحدة فرق جهد.
Definition
الموصل هو مادة ذات شحنات متحركة تعيد توزيع نفسها حتى يصبح المجال الكهروستاتيكي الداخلي صفرًا؛ والمواسعة هي نسبة الشحنة المخزنة إلى فرق الجهد الذي يحافظ عليها، وهي خاصية هندسية بحتة لتكوين موصل معين.
Scope
يغطي هذا الموضوع السلوك الكهروستاتيكي للموصلات – تلاشي المجال الداخلي، الشحنة السطحية، المجال السطحي العمودي، والأسطح متساوية الجهد – بالإضافة إلى الشحنة المستحثة، الحماية الكهروستاتيكية، وتعريف وحساب المواسعة للمكثفات وأنظمة الموصلات. ويشمل الطاقة المخزنة في المكثفات وطريقة معاملات المواسعة.
Core questions
- كيف تتوزع الشحنة على الموصلات المحفوظة عند جهود ثابتة؟
- لماذا يتلاشى المجال داخل الموصل ويعمل كدرع؟
- ما الذي يحدد مواسعة هندسة موصل معينة؟
Key concepts
- موصل
- كثافة الشحنة السطحية
- شحنة مستحثة
- حماية كهروستاتيكية
- قفص فاراداي
- مواسعة كهربائية
- طاقة المكثف
Key theories
- التوازن الكهروستاتيكي للموصلات
- في الموصل، يكون المجال الداخلي صفرًا، والسطح متساوي الجهد، والمجال خارج السطح مباشرة يكون عموديًا عليه، وأي شحنة صافية تتواجد على السطح.
- المواسعة ككمية هندسية
- لترتيب موصل ثابت، تكون نسبة الشحنة إلى فرق الجهد ثابتة، وتتحدد بالكامل بواسطة الهندسة والسماحية للوسط المحيط، وتعمم إلى مصفوفة من معاملات المواسعة للعديد من الموصلات.
Clinical relevance
تحكم المواسعة والكهروستاتيكا الموصلة تصميم المكثفات وشاشات اللمس، والوقاية الكهروستاتيكية للأجهزة الحساسة، وتخزين الطاقة في مزيل الرجفان، والاستشعار الحيوي السعوي.
History
كانت قارورة ليدن (Leyden jar)، التي ابتكرها كل من فون كلايست وفان موسشنبروك بشكل مستقل حوالي عام 1745، أول مكثف عملي. أظهرت تجارب فاراداي في القرن التاسع عشر باستخدام القفص المعدني الحماية، وقد سُميت وحدة الفاراد للمواسعة باسمه.
Key figures
- Michael Faraday
- Ewald Georg von Kleist
- Pieter van Musschenbroek
Related topics
Seminal works
- jackson1998
- griffiths2017
Frequently asked questions
- لماذا يحجب قفص فاراداي المجالات الكهربائية الخارجية؟
- تُعيد الشحنات على سطح الموصل ترتيب نفسها لإلغاء أي مجال خارجي داخل التجويف المغلق، لذا فإن الغلاف الموصل المؤرض أو المغلق يحمي داخله من المجالات الخارجية الساكنة والعديد من المجالات المتغيرة مع الزمن.
- هل يؤدي إدخال مادة عازلة إلى زيادة المواسعة؟
- نعم؛ تستقطب المادة العازلة وتلغي المجال جزئيًا، لذا فإن شحنة معينة تنتج فرق جهد أصغر، مما يزيد المواسعة بمقدار السماحية النسبية للمادة.