Elektrisk felt, elektrostatisk induksjon, kapasitans og kondensatorer

Elektrisk felt konsept

Elektriske feltkrefter er kjent for å virke i rommet rundt elektriske ladninger. Tallrike eksperimenter på ladede kropper bekrefter dette fullt ut. Rommet rundt et ladet legeme er et elektrisk felt der elektriske krefter virker.

Retningen til feltkreftene kalles elektriske feltlinjer. Derfor er det generelt akseptert at et elektrisk felt er en samling av kraftlinjer.

Feltlinjene har visse egenskaper:

• kraftlinjer forlater alltid en positivt ladet kropp og går inn i en negativt ladet kropp;

• de går ut i alle retninger vinkelrett på overflaten av den ladede kroppen og går inn i den vinkelrett;

• kraftlinjene til to like ladede legemer ser ut til å frastøte hverandre, og motsatt ladede legemer tiltrekker seg.

De elektriske kraftlinjene er alltid åpne når de brytes ved overflaten av ladede legemer.Elektrisk ladede legemer samhandler: motsatt ladet tiltrekker seg og frastøter på samme måte.

Elektrisk ladede legemer (partikler) med ladninger q1 og q2 samhandler med hverandre med en kraft F, som er en vektormengde og måles i newton (N). Leger med motsatt ladning tiltrekker hverandre og med lignende ladninger frastøter hverandre.

Kraften til tiltrekning eller frastøting avhenger av størrelsen på ladningene på kroppene og avstanden mellom dem.

Ladede legemer kalles punkt hvis deres lineære dimensjoner er små sammenlignet med avstanden r mellom legene. Størrelsen på deres interaksjonskraft F avhenger av størrelsen på ladningene q1 og q2, avstanden r mellom dem og miljøet der de elektriske ladningene befinner seg.

Hvis det ikke er luft i rommet mellom kroppene, men et annet dielektrikum, det vil si en ikke-leder av elektrisitet, vil kraften av samspillet mellom kroppene avta.

Verdien som karakteriserer egenskapene til et dielektrikum og viser hvor mange ganger vekselvirkningskraften mellom ladninger vil øke hvis et gitt dielektrikum erstattes med luft, kalles den relative permittiviteten til et gitt dielektrikum.

Den dielektriske konstanten er lik: for luft og gasser - 1; for ebonitt — 2 — 4; for glimmer 5 — 8; for olje 2 — 5; for papir 2 — 2,5; for parafin — 2 — 2,6.

Det elektrostatiske feltet til to ladede legemer: a — tala er ladet med samme navn, b — legemer lades forskjellig

Elektrostatisk induksjon

Hvis et ledende legeme A med en sfærisk form, isolert fra omgivende gjenstander, gis en negativ elektrisk ladning, det vil si å skape et overskudd av elektroner i den, vil denne ladningen bli jevnt fordelt over kroppens overflate.Dette er fordi elektronene, som frastøter hverandre, har en tendens til å komme til overflaten av kroppen.

Vi plasserer et uladet legeme B, også isolert fra omgivende objekter, i feltet til legeme A. Da vil elektriske ladninger oppstå på overflaten av legeme B, og på siden som vender mot legeme A, en ladning motsatt ladningen til kropp A ( positiv ), og på den andre siden - en ladning med samme navn som ladningen til kroppen A (negativ). De elektriske ladningene som fordeles på denne måten forblir på overflaten av legeme B mens det er i feltet til legeme A. Hvis legeme B fjernes fra feltet eller legeme A fjernes, så nøytraliseres den elektriske ladningen på overflaten til legeme B. Denne metoden for elektrifisering på avstand kalles elektrostatisk induksjon eller elektrifisering ved påvirkning.

Fenomenet elektrostatisk induksjon

Det er åpenbart at en slik elektrifisert tilstand av kroppen tvinges og opprettholdes utelukkende av virkningen av kreftene til det elektriske feltet skapt av kroppen A.

Hvis vi gjør det samme når kropp A er positivt ladet, vil de frie elektronene fra en persons hånd skynde seg til kropp B, nøytralisere dens positive ladning, og kropp B vil bli negativt ladet.

Jo høyere elektrifiseringsgrad av legeme A, dvs. jo større potensial, desto større potensial kan elektrifiseres ved hjelp av elektrostatisk induksjonslegeme B.

Dermed kom vi til den konklusjon at fenomenet elektrostatisk induksjon gjør det mulig under visse forhold å akkumulere elektrisitet på overflaten av ledende legemer.

Enhver kropp kan lades til en viss grense, det vil si til et visst potensial; en økning i potensialet utover grensen fører til at kroppen blir kastet ut i den omkringliggende atmosfæren. Ulike kropper trenger forskjellige mengder elektrisitet for å bringe dem til samme potensial. Med andre ord inneholder forskjellige kropper forskjellige mengder elektrisitet, det vil si at de har forskjellig elektrisk kapasitet (eller rett og slett kapasitet).

Elektrisk kapasitet er en kropps evne til å inneholde en viss mengde elektrisitet samtidig som den øker potensialet til en viss verdi. Jo større overflatearealet på kroppen er, jo mer elektrisk ladning kan kroppen holde.

Hvis kroppen har form som en ball, er dens kapasitet direkte proporsjonal med ballens radius. Kapasitans måles i farad.

En farada er kapasiteten til et slikt legeme som, etter å ha mottatt en ladning med elektrisitet i et anheng, øker potensialet med en volt... 1 farad = 1.000.000 mikrofarad.

Elektrisk kapasitet, det vil si egenskapen til ledende legemer til å akkumulere elektrisk ladning i seg selv, er mye brukt i elektroteknikk. Enheten er basert på denne egenskapen elektriske kondensatorer.

Kapasitans til kondensatoren

En kondensator består av to metallplater (plater), isolert fra hverandre med et luftlag eller et annet dielektrikum (glimmer, papir, etc.).

Hvis en av platene får en positiv ladning og den andre er negativ, det vil si lade dem motsatt, vil ladningene til platene, som tiltrekker seg gjensidig, bli holdt på platene. Dette gjør at mye mer strøm kan konsentreres på platene enn om de ble ladet på avstand fra hverandre.

Derfor kan en kondensator tjene som en enhet som lagrer en betydelig mengde elektrisitet i platene. Med andre ord er en kondensator en lagring av elektrisk energi.

Kapasitansen til kondensatoren er lik:

C = eS / 4pl

hvor C er kapasitansen; e er dielektrikumets dielektriske konstant; S - arealet av en plate i cm2, NS - konstant tall (pi) lik 3,14; l — avstand mellom platene i cm.

Fra denne formelen kan det sees at når arealet til platene øker, øker kapasiteten til kondensatoren, og når avstanden mellom dem øker, reduseres den.

La oss forklare denne avhengigheten. Jo større areal på platene er, jo mer elektrisitet kan de absorbere, og derfor vil kapasiteten til kondensatoren være større.

Når avstanden mellom platene minker, øker den gjensidige påvirkningen (induksjonen) mellom ladningene deres, noe som gjør det mulig å konsentrere mer elektrisitet på platene og dermed øke kapasiteten til kondensatoren.

Derfor, hvis vi ønsker å få en stor kondensator, må vi ta plater med et stort område og isolere dem med et tynt dielektrisk lag.

Formelen viser også at når dielektrikumets dielektriske konstant øker, øker kapasitansen til kondensatoren.

Derfor har kondensatorer med samme geometriske dimensjoner, men som inneholder forskjellig dielektrikum, forskjellige kapasitanser.

Hvis vi for eksempel tar en kondensator med et luftdielektrikum hvis dielektrisitetskonstant er lik enhet, og setter glimmer med en dielektrisk konstant på 5 mellom platene, vil kapasitansen til kondensatoren øke med 5 ganger.

Derfor brukes materialer som glimmer, papir impregnert med parafin, etc., hvis dielektrisitetskonstant er mye høyere enn luftens, som dielektrikum for å oppnå stor kapasitet.

Følgelig skilles følgende typer kondensatorer ut: luft, fast dielektrisk og flytende dielektrisk.

Lading og utlading av kondensatoren. Bias gjeldende

La oss inkludere en kondensator med konstant kapasitans i kretsen. Ved å sette bryteren på kontakt a vil kondensatoren inngå i batterikretsen. Nålen til milliammeteret i øyeblikket når kondensatoren er koblet til kretsen vil avvike og deretter bli null.

DC kondensator

Derfor gikk en elektrisk strøm gjennom kretsen i en bestemt retning. Hvis bryteren nå er plassert på kontakt b (dvs. lukk platene), vil milliammeternålen bøye seg i den andre retningen og gå tilbake til null. Derfor gikk også en strøm gjennom kretsen, men i en annen retning. La oss analysere dette fenomenet.

Da kondensatoren ble koblet til batteriet, ble den ladet, det vil si at platene fikk en positiv og den andre negativ ladning. Fakturering fortsetter til kl potensiell forskjell mellom kondensatorplatene er ikke lik batterispenningen. En milliammeter koblet i serie i kretsen indikerer ladestrømmen til kondensatoren, som stopper umiddelbart etter at kondensatoren er ladet.

Da kondensatoren ble koblet fra batteriet, forble den ladet, og potensialforskjellen mellom platene var lik batterispenningen.

Men så snart kondensatoren ble lukket, begynte den å utlades og utladningsstrømmen gikk gjennom kretsen, men allerede i motsatt retning av ladestrømmen. Dette fortsetter til potensialforskjellen mellom platene forsvinner, det vil si til kondensatoren utlades.

Derfor, hvis kondensatoren er inkludert i DC-kretsen, vil strømmen flyte i kretsen bare på tidspunktet for lading av kondensatoren, og i fremtiden vil det ikke være noen strøm i kretsen, fordi kretsen vil bli brutt av dielektrikumet av kondensatoren.

Det er derfor de sier at «En kondensator slipper ikke likestrøm».

Mengden elektrisitet (Q) som kan konsentreres på kondensatorplatene, dens kapasitet (C) og verdien av spenningen som leveres til kondensatoren (U) er relatert til følgende forhold: Q = CU.

Denne formelen viser at jo større kapasiteten til kondensatoren er, jo mer elektrisitet kan konsentreres på den uten å øke spenningen på platene betydelig.

Å øke DC-kapasitansspenningen øker også mengden elektrisitet som lagres av kondensatoren. Imidlertid, hvis en stor spenning påføres kondensatorplatene, kan kondensatoren bli "ødelagt", det vil si under påvirkning av denne spenningen, vil dielektrikumet kollapse et sted og la strømmen passere gjennom det. I dette tilfellet vil kondensatoren slutte å fungere. For å unngå skade på kondensatorene, angir de verdien av tillatt driftsspenning.

Fenomenet dielektrisk polarisering

La oss nå analysere hva som skjer i et dielektrikum når en kondensator lades og utlades og hvorfor verdien av kapasitansen avhenger av dielektrisitetskonstanten?

Svaret på dette spørsmålet gir oss den elektroniske teorien om materiens struktur.

I et dielektrikum, som i enhver isolator, er det ingen frie elektroner. I dielektrikumets atomer er elektronene tett bundet til kjernen, derfor forårsaker ikke spenningen som påføres kondensatorplatene en retningsbestemt bevegelse av elektroner i dielektrikumet, dvs. elektrisk strøm, som i tilfellet med ledninger.

Imidlertid, under påvirkning av de elektriske feltkreftene skapt av de ladede platene, forskyves elektronene som roterer rundt atomkjernen mot den positivt ladede kondensatorplaten. Samtidig strekkes atomet i retning av feltlinjene.Denne tilstanden til dielektriske atomer kalles polarisert, og selve fenomenet kalles dielektrisk polarisering.

Når kondensatoren er utladet, brytes den polariserte tilstanden til dielektrikumet, det vil si at forskyvningen av elektronene i forhold til kjernen forårsaket av polarisasjonen forsvinner og atomene går tilbake til sin vanlige upolariserte tilstand. Det ble funnet at tilstedeværelsen av dielektrikum svekker feltet mellom kondensatorplatene.

Ulike dielektriske stoffer under påvirkning av det samme elektriske feltet polariserer i forskjellig grad. Jo lettere dielektrikumet er polarisert, jo mer svekker det feltet. Polarisering av luft, for eksempel, resulterer i mindre feltsvekkelse enn polarisering av noe annet dielektrikum.

Men svekkelsen av feltet mellom kondensatorplatene lar deg konsentrere deg om dem en større mengde elektrisitet Q ved samme spenning U, noe som igjen fører til en økning i kapasiteten til kondensatoren, siden C = Q / U .

Så vi kom til konklusjonen - jo større dielektrikumets dielektriske konstant er, desto større kapasitet har kondensatoren som inneholder dette dielektrikumet i sammensetningen.

Forskyvningen av elektroner i atomene til dielektrikumet, som oppstår, som vi allerede har sagt, under påvirkning av kreftene til det elektriske feltet, dannes i dielektrikumet, i det første øyeblikket av feltets handling, en elektrisk strøm Kalles en avbøyningsstrøm... Den heter slik fordi i motsetning til ledningsstrømmen i metalltråder, genereres forskyvningsstrømmen bare ved forskyvning av elektroner som beveger seg i atomene deres.

Tilstedeværelsen av denne forspenningsstrømmen fører til at kondensatoren koblet til AC-kilden blir dens leder.

Se også om dette emnet: Elektrisk og magnetisk felt: Hva er forskjellene?

De viktigste egenskapene til det elektriske feltet og de viktigste elektriske egenskapene til mediet (grunnleggende termer og definisjoner)

Elektrisk feltstyrke

En vektormengde som karakteriserer kraftvirkningen til et elektrisk felt på elektrisk ladede legemer og partikler, lik grensen for forholdet mellom kraften som det elektriske feltet virker med på et stasjonært punktladet legeme innført ved det betraktede punktet av feltet til ladningen til dette legemet når denne ladningen har en tendens til null og hvis retning antas å falle sammen med retningen til kraften som virker på et positivt ladet punktlegeme.

En elektrisk feltlinje

En linje på et hvilket som helst punkt hvis tangent til den faller sammen med retningen til vektoren for elektrisk feltstyrke.

Elektrisk polarisering

Materietilstanden karakterisert ved at det elektriske momentet til et gitt volum av det stoffet har en annen verdi enn null.

Elektrisk Strømføringsevne

Egenskapen til et stoff til å lede, under påvirkning av et elektrisk felt som ikke endres over tid, en elektrisk strøm som ikke endres over tid.

Dielektrisk

Et stoff hvis viktigste elektriske egenskap er evnen til å polarisere i et elektrisk felt og hvor langsiktig eksistens av et elektrostatisk felt er mulig.

Et ledende stoff

Et stoff hvis viktigste elektriske egenskap er elektrisk ledningsevne.

Regissør

Ledende kropp.

Halvlederstoff (halvleder)

Et stoff hvis elektriske ledningsevne er mellomliggende mellom et ledende stoff og et dielektrikum og hvis karakteristiske egenskaper er: en uttalt avhengighet av elektrisk ledningsevne på temperatur; endring i elektrisk ledningsevne når den utsettes for et elektrisk felt, lys og andre eksterne faktorer; betydelig avhengighet av dens elektriske ledningsevne på mengden og arten av de introduserte urenhetene, noe som gjør det mulig å forsterke og korrigere den elektriske strømmen, samt å konvertere noen typer energi til elektrisitet.

Polarisering (polarisasjonsintensitet)

En vektormengde som karakteriserer graden av elektrisk polarisering av dielektrikumet, lik grensen for forholdet mellom det elektriske momentet til et visst volum av dielektrikumet og dette volumet når sistnevnte har en tendens til null.

Elektrisk konstant

En skalar mengde som karakteriserer det elektriske feltet i et hulrom, lik forholdet mellom den totale elektriske ladningen inneholdt i en viss lukket overflate og strømmen av den elektriske feltstyrkevektoren gjennom denne overflaten i tomrommet.

Absolutt dielektrisk følsomhet

En skalar mengde som karakteriserer egenskapen til et dielektrikum som skal polariseres i en elektrisk masse, lik forholdet mellom størrelsen på polarisasjonen og størrelsen på den elektriske feltstyrken.

Dielektrisk følsomhet

Forholdet mellom den absolutte dielektriske susceptibiliteten ved det betraktede punktet for dielektrikumet og den elektriske konstanten.

Elektrisk forskyvning

En vektormengde lik den geometriske summen av den elektriske feltstyrken ved det aktuelle punktet multiplisert med den elektriske konstanten og polarisasjonen ved samme punkt.

Absolutt dielektrisk konstant

En skalar størrelse som karakteriserer de elektriske egenskapene til et dielektrikum og lik forholdet mellom størrelsen på den elektriske forskyvningen og størrelsen på den elektriske feltspenningen.

Den dielektriske konstanten

Forholdet mellom den absolutte dielektrisitetskonstanten ved det betraktede punktet for dielektrikumet og den elektriske konstanten.

Forskyvningskraftledning

En linje ved hvert punkt hvor tangenten til den faller sammen med retningen til den elektriske forskyvningsvektoren.

Elektrostatisk induksjon

Fenomenet induksjon av elektriske ladninger på et ledende legeme under påvirkning av et eksternt elektrostatisk felt.

Stasjonært elektrisk felt

Det elektriske feltet til elektriske strømmer som ikke endres over tid, forutsatt at de strømførende lederne er stasjonære.

Potensielt elektrisk felt

Et elektrisk felt der rotoren til den elektriske feltstyrkevektoren overalt er lik null.

Eddy elektrisk felt

Et elektrisk felt der rotoren til intensitetsvektoren ikke alltid er lik null.

Forskjellen i elektriske potensialer på to punkter

En skalar mengde som karakteriserer et potensielt elektrisk felt, lik grensen for forholdet mellom arbeidet til kreftene til dette feltet, når et positivt ladet punktlegeme overføres fra et gitt punkt i feltet til et annet, til ladningen til dette legemet , når ladningen til kroppen har en tendens til null (ellers: lik linjeintegralet av den elektriske feltstyrken fra et gitt punkt til et annet).

Elektrisk potensial på et gitt punkt

Forskjellen mellom de elektriske potensialene til et gitt punkt og et annet spesifisert, men vilkårlig valgt punkt.

Elektrisk kapasitans for en enkelt leder

En skalar mengde som karakteriserer en leders evne til å akkumulere elektrisk ladning, lik forholdet mellom lederens ladning og potensialet, forutsatt at alle andre ledere er uendelig fjerne og at potensialet til det uendelig fjerne punktet antas å være null.

Elektrisk kapasitans mellom to enkeltledere

En skalarverdi lik den absolutte verdien av forholdet mellom den elektriske ladningen på en leder og forskjellen i elektriske potensialer til to ledere, forutsatt at disse lederne har samme størrelse, men motsatt i fortegn og at alle andre ledere er uendelig langt unna.

Kondensator

Et system med to ledere (plater) adskilt av et dielektrikum designet for å bruke kapasitansen mellom de to lederne.

Kapasitans til kondensatoren

Den absolutte verdien av forholdet mellom den elektriske ladningen på en av kondensatorplatene og potensialforskjellen mellom dem, forutsatt at platene har ladninger av samme størrelse og motsatt fortegn.

Kapasitans mellom to ledere i et ledningssystem (delkapasitans)

Den absolutte verdien av forholdet mellom den elektriske ladningen til en av lederne som er inkludert i ledersystemet til potensialforskjellen mellom den og en annen leder, hvis alle ledere, bortsett fra sistnevnte, har samme potensial; hvis bakken er inkludert i det betraktede systemet av ledninger, blir potensialet tatt som null.

Tredjeparts elektriske felt

Feltet forårsaket av termiske prosesser, kjemiske reaksjoner, kontaktfenomener, mekaniske krefter og andre ikke-elektromagnetiske (i makroskopisk undersøkelse) prosesser; preget av en sterk effekt på ladede partikler og legemer som befinner seg i området hvor dette feltet eksisterer.

Indusert elektrisk felt

Et elektrisk felt indusert av det tidsvarierende magnetfeltet.

Elektromotorisk kraft E. d. S.

En skalar mengde som karakteriserer evnen til et eksternt og indusert elektrisk felt til å indusere en elektrisk strøm lik det lineære integralet av styrken til de eksterne og induserte elektriske feltene mellom to punkter langs den betraktede banen eller langs den betraktede lukkede kretsen.

Spenning

En skalar mengde lik det lineære integralet av styrken til det resulterende elektriske feltet (elektrostatisk, stasjonært, eksternt, induktivt) mellom to punkter langs den betraktede banen.