رساناها و ظرفیت خازنی
رساناها بار آزاد خود را به گونهای بازآرایی میکنند که میدان درون آنها ناپدید شود؛ ظرفیت خازنی میزان باری را که یک سامانه به ازای هر واحد اختلاف پتانسیل ذخیره میکند، اندازهگیری میکند.
Definition
رسانا مادهای است با بارهای متحرک که تا زمانی که میدان الکترواستاتیکی داخلی صفر شود، بازتوزیع میشوند؛ ظرفیت خازنی نسبت بار ذخیره شده به اختلاف پتانسیلی است که آن را حفظ میکند، یک ویژگی کاملاً هندسی برای یک پیکربندی رسانای معین.
Scope
این مبحث رفتار الکترواستاتیکی رساناها — میدان داخلی ناپدیدشونده، بار سطحی، میدان سطحی عمود، و سطوح همپتانسیل — را به همراه بار القایی، محافظت الکترواستاتیکی، و تعریف و محاسبه ظرفیت خازنی برای خازنها و سامانههای رسانا پوشش میدهد. این شامل انرژی ذخیره شده در خازنها و روش ضرایب ظرفیت خازنی میشود.
Core questions
- چگونه بار بر روی رساناهایی که در پتانسیلهای ثابت نگه داشته شدهاند، توزیع میشود؟
- چرا میدان در داخل یک رسانا ناپدید میشود و به عنوان یک محافظ عمل میکند؟
- چه چیزی ظرفیت خازنی یک هندسه رسانای معین را تعیین میکند؟
Key concepts
- رسانا
- چگالی بار سطحی
- بار القایی
- محافظت الکترواستاتیکی
- قفس فارادی
- ظرفیت خازنی
- انرژی خازن
Key theories
- تعادل الکترواستاتیکی رساناها
- در یک رسانا، میدان داخلی صفر است، سطح یک همپتانسیل است، میدان درست بیرون عمود بر سطح است، و هر بار خالص بر روی سطح قرار دارد.
- ظرفیت خازنی به عنوان یک کمیت هندسی
- برای یک آرایش رسانای ثابت، نسبت بار به اختلاف پتانسیل ثابت است و کاملاً توسط هندسه و گذردهی محیط اطراف تعیین میشود، که به یک ماتریس از ضرایب ظرفیت خازنی برای رساناهای متعدد تعمیم مییابد.
Clinical relevance
الکترواستاتیک ظرفیت خازنی و رساناها بر طراحی خازن و صفحه لمسی، محافظت الکترواستاتیکی ابزارهای حساس، ذخیره انرژی دفیبریلاتور، و زیستحسگری خازنی حاکم است.
History
شیشه لیدن (Leyden jar)، که به طور مستقل توسط فون کلایست و ون موسشنبروک در حدود سال ۱۷۴۵ ابداع شد، اولین خازن عملی بود. آزمایشهای فارادی در قرن نوزدهم با قفس فلزی، محافظت را نشان داد، و واحد فاراد (farad) برای ظرفیت خازنی به نام او نامگذاری شد.
Key figures
- Michael Faraday
- Ewald Georg von Kleist
- Pieter van Musschenbroek
Related topics
Seminal works
- jackson1998
- griffiths2017
Frequently asked questions
- چرا قفس فارادی میدانهای الکتریکی خارجی را مسدود میکند؟
- بارها بر روی سطح رسانا بازآرایی میشوند تا هر میدان خارجی را در داخل حفره محصور شده خنثی کنند، بنابراین یک پوسته رسانای زمینشده یا بسته، فضای داخلی خود را از میدانهای خارجی ایستا و بسیاری از میدانهای متغیر با زمان محافظت میکند.
- آیا قرار دادن دیالکتریک ظرفیت خازنی را افزایش میدهد؟
- بله؛ دیالکتریک قطبی میشود و تا حدی میدان را خنثی میکند، بنابراین یک بار معین اختلاف پتانسیل کوچکتری تولید میکند و ظرفیت خازنی را به اندازه گذردهی نسبی ماده افزایش میدهد.