ตัวนำไฟฟ้าและความจุไฟฟ้า

ตัวนำไฟฟ้าจะจัดเรียงประจุอิสระใหม่เพื่อให้สนามภายในเป็นศูนย์ ความจุไฟฟ้าจะวัดปริมาณประจุที่ระบบเก็บไว้ต่อหน่วยความต่างศักย์

Definition

ตัวนำไฟฟ้าคือวัสดุที่มีประจุเคลื่อนที่ซึ่งจะกระจายตัวใหม่จนกระทั่งสนามไฟฟ้าสถิตภายในเป็นศูนย์ ความจุไฟฟ้าคืออัตราส่วนของประจุที่เก็บไว้ต่อความต่างศักย์ที่รักษาสภาพนั้นไว้ ซึ่งเป็นคุณสมบัติทางเรขาคณิตล้วนๆ สำหรับการจัดเรียงตัวนำไฟฟ้าที่กำหนด

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมพฤติกรรมทางไฟฟ้าสถิตของตัวนำไฟฟ้า ได้แก่ สนามภายในที่เป็นศูนย์ ประจุบนพื้นผิว สนามบนพื้นผิวที่ตั้งฉาก และพื้นผิวสมศักย์ รวมถึงประจุเหนี่ยวนำ การกำบังทางไฟฟ้าสถิต และคำจำกัดความและการคำนวณความจุไฟฟ้าสำหรับตัวเก็บประจุและระบบตัวนำไฟฟ้า นอกจากนี้ยังรวมถึงพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุและวิธีการสัมประสิทธิ์ความจุไฟฟ้า

Core questions

• ประจุไฟฟ้ากระจายตัวบนตัวนำไฟฟ้าที่รักษาสักย์ไฟฟ้าคงที่ได้อย่างไร?
• เหตุใดสนามไฟฟ้าภายในตัวนำไฟฟ้าจึงเป็นศูนย์และทำหน้าที่เป็นเกราะกำบัง?
• อะไรเป็นตัวกำหนดความจุไฟฟ้าของรูปทรงเรขาคณิตของตัวนำไฟฟ้าที่กำหนด?

Key concepts

• ตัวนำไฟฟ้า
• ความหนาแน่นประจุบนพื้นผิว
• ประจุเหนี่ยวนำ
• การกำบังทางไฟฟ้าสถิต
• กรงฟาราเดย์
• ความจุไฟฟ้า
• พลังงานตัวเก็บประจุ

Key theories

สมดุลไฟฟ้าสถิตของตัวนำไฟฟ้า

ในตัวนำไฟฟ้า สนามภายในเป็นศูนย์ พื้นผิวเป็นพื้นผิวสมศักย์ สนามที่อยู่ภายนอกเล็กน้อยจะตั้งฉากกับพื้นผิว และประจุสุทธิใดๆ จะอยู่บนพื้นผิว

ความจุไฟฟ้าในฐานะปริมาณทางเรขาคณิต

สำหรับการจัดเรียงตัวนำไฟฟ้าที่คงที่ อัตราส่วนของประจุต่อความต่างศักย์จะคงที่ ซึ่งกำหนดโดยรูปทรงเรขาคณิตและสภาพยอมของตัวกลางโดยรอบทั้งหมด โดยทั่วไปแล้วจะขยายไปสู่เมทริกซ์ของสัมประสิทธิ์ความจุไฟฟ้าสำหรับตัวนำไฟฟ้าหลายตัว

Clinical relevance

ความจุไฟฟ้าและไฟฟ้าสถิตของตัวนำไฟฟ้าเป็นพื้นฐานในการออกแบบตัวเก็บประจุและหน้าจอสัมผัส การกำบังทางไฟฟ้าสถิตของเครื่องมือที่ละเอียดอ่อน การเก็บพลังงานของเครื่องกระตุ้นหัวใจด้วยไฟฟ้า และการตรวจจับทางชีวภาพแบบคาปาซิทีฟ

History

ขวดไลเดน (Leyden jar) ซึ่งคิดค้นขึ้นโดย von Kleist และ van Musschenbroek โดยอิสระกันประมาณปี ค.ศ. 1745 เป็นตัวเก็บประจุเชิงปฏิบัติชิ้นแรก การทดลองของฟาราเดย์ในศตวรรษที่ 19 ด้วยกรงโลหะได้แสดงให้เห็นถึงการกำบัง และหน่วยฟารัดของความจุไฟฟ้าก็ตั้งชื่อตามเขา

Key figures

• Michael Faraday
• Ewald Georg von Kleist
• Pieter van Musschenbroek

Seminal works

• jackson1998
• griffiths2017

Frequently asked questions

เหตุใดกรงฟาราเดย์จึงสามารถกั้นสนามไฟฟ้าภายนอกได้?

ประจุบนพื้นผิวของตัวนำไฟฟ้าจะจัดเรียงตัวใหม่เพื่อหักล้างสนามภายนอกใดๆ ภายในช่องว่างที่ปิดล้อม ดังนั้นเปลือกตัวนำที่ต่อลงดินหรือปิดสนิทจึงสามารถกำบังภายในจากสนามไฟฟ้าสถิตและสนามภายนอกที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาได้หลายชนิด

การใส่ไดอิเล็กตริกเข้าไปจะเพิ่มความจุไฟฟ้าหรือไม่?

ใช่ ไดอิเล็กตริกจะเกิดการโพลาไรซ์และหักล้างสนามไฟฟ้าบางส่วน ดังนั้นประจุที่กำหนดจะสร้างความต่างศักย์ที่น้อยลง ทำให้ความจุไฟฟ้าเพิ่มขึ้นตามสภาพยอมสัมพัทธ์ของวัสดุ