میدان داخل یک رسانا

رسانا بودن یک فلز اثر مهمی بر میدان الکتریکی داخل و خارج آن دارد. در مواد رسانا بارها تحت اثر نیروی الکتریکی (که از میدان الکتریکی حاصل شده است) به حرکت در می‌آیند.

فرض کنید مقداری الکترون اضافی در داخل یک تکه مس قرارداده می شود (شکل روبه‌رو). به هر یک از این الکترون ها نیروی دافعه‌ای وارد می‌شود که منشاء آن میدان الکتریکی بارهای مجاور می‌باشد.

به دلیل رسانا بودن، الکترون های اضافی توسط این نیرو به سطح مس رانده می‌شوند تا بیشترین فاصله را از یکدیگر داشته باشند. به محض اینکه شرایط استاتیکی (ایستایی) حاصل شد، تمام بارهای اضافی در سطح قرار گرفته و دیگر هیچ حرکتی در بارها روی نخواهد داد.

به طریق مشابه بارهای مثبت اضافی به سطح رسانا منتقل می‌شوند.

به طور کلی، تحت شرایط تعادل الکترواستاتیکی، هر بار اضافه در رسانا فقط بر روی سطح آن قرار می گیرد.

اکنون میدان الکتریکی درون رسانا را مورد بررسی قرار می‌دهیم. اگر میدان الکتریکی در داخل رسانا وجود داشته باشد نیروی خالصی ( E=qE ) به بارها وارد می‌شود که باعث به وجود آمدن جریان کوتاه مدت در فلز می‌گردد.

از آن جا که منبع انرژی برای ایجاد جریان دائم وجود ندارد بارهای آزاد رسانا طوری خودشان را روی سطح فلز قرار می‌دهند تا میدان حاصل از آن ها، میدان اولی را خنثی کند. در این شرایط گفته می‌شود که تعادل الکترواستاتیکی ایجاد شده است. بنابراین در شرایط تعادل، میدان الکتریکی در تمام نواحی داخل یک رسانا صفر می‌باشد.

زمان جابه جایی بارهای آزاد در رسانا برای رسیدن به حالت تعادل به نوع رسانا بستگی دارد. برای مس و رسانا های خـوب ایـن زمـان بـسیار کـوتـاه می‌باشد (حدود 10^-12 ثانیه) و در عمل از این زمان صرفه نظر می شود.

در شکل زیر استوانه رسانای بدون ‌باری را مشاهده می‌کنید که در شرایط تعادل الکترواستاتیکی در وسط صفحات یک خازن با صفحات موازی قرار گرفته است.

بارهای القا شده بر روی سطح استوانه، خطوط میدان الکتریکی خازن را تغییر می‌دهند. از آن جا که میدان الکتریکی داخل رسانا صفر است، خطوط میدان نمی‌تواند داخل استوانه شوند.

در حقیقت خطوط میدان به بارهای القا شده در استوانه خاتمه یافته یا از آن ها شروع می‌شوند. بنابراین به یک بار آزمون در داخل رسانا، هیچ نیرویی از طرف بارهای روی صفحات خازن اعمال نمی شود. به بیان دیگر جسم رسانا، هر بار واقع در داخلش را از میدان الکتریکی خارج رسانا حفاظت می‌کند. این توانایی حفاظت، به واسطه بارهای القایی در سطح فلز حاصل می شود.

از آن جا که میدان الکتریکی داخل رسانا صفر است، اگر حفره‌ای در داخل رسانا به وجود آید هیچ تغـیـیری در مطـالـب گفـته شـده در بالا حاصـل نشده و میدان الکتریکی در آن نیز صفر خواهد بود. به شکل زیر توجّه کنید:

بنابراین فضای داخل حفره از میدان الکتریکی خارجی حفاظت شده است. این موضوع کاربرد مهمی در حفاظت مدارهای الکترونیکی دارد. میدان های الکتریکی آشفته که توسط وسایل الکتریکی خانگی به وجود می‌آیند (مثل سشوار، مخلوط کن یا جارو برقی) می‌توانند بر مدارهای آمپلی فایر، رادیو، تلویزیون و کامپیوتر اثر بگذارند.

برای حذف چنین میدان هایی، مدارهای الکترونیکی این وسایل داخل جعبه های فلزی قرار می‌گیرند تا با این روش در برابر میدان‌های الکتریکی آشفته حفاظت شوند.

شکل زیر نکته دیگری را نیز در بر دارد.

در این شکل مشاهده می‌کنید که چگونه خطوط میدان الکتریکی خارجی توسط رسانا تغییر شکل یافته اند. خطوط میدان طوری تغییر یافته اند که در خارج سطح یک رسانا، عمود بر سطح ‌باشند.

اگر خطوط میدان، عمود بر سطح رسانا نباشند (شکل مقابل) آن گاه میدان الکتریکی مؤلفه‌ای موازی سطح دارد. از آنجا که الکترون ها روی سطح رسانا می‌توانند حرکت کنند، آن گاه این مؤلفه موازی میدان باعث به حرکت در آمدن بارهای سطحی می‌شود.

امّا می‌دانیم که در شرایط الکترواستاتیکی بارها حرکت نمی کنند. پس میدان الکتریکی در سطح فلز مؤلفه مماسی نداشته و بنابراین میدان الکتریکی حتماً عمود بر سطح رسانا می‌باشد.

مطالب گفته شده در بالا فقط در شرایط تعادل الکترواستاتیکی (الکتریسیته ساکن) درست می‌باشد. این ویژگی ها ارتباط نزدیکی با بارهای آزاد متحرّک در رسانا دارد و به عبارتی دیگر مطالب فوق برای مواد نارسانا برقرار نمی باشد.