Pole elektryczne, indukcja elektrostatyczna, pojemność i kondensatory

Koncepcja pola elektrycznego

Wiadomo, że siły pola elektrycznego działają w przestrzeni wokół ładunków elektrycznych. Liczne eksperymenty na naładowanych ciałach w pełni to potwierdzają. Przestrzeń wokół dowolnego naładowanego ciała jest polem elektrycznym, w którym działają siły elektryczne.

Kierunki sił pola nazywane są liniami pola elektrycznego. Dlatego ogólnie przyjmuje się, że pole elektryczne jest zbiorem linii sił.

Linie pola mają określone właściwości:

• linie sił zawsze opuszczają ciało naładowane dodatnio i wchodzą do ciała naładowanego ujemnie;

• wychodzą we wszystkich kierunkach prostopadle do powierzchni naładowanego ciała i wchodzą do niego prostopadle;

• linie sił dwóch jednakowo naładowanych ciał wydają się odpychać, a ciała naładowane przeciwnie przyciągają się.

Linie sił pola elektrycznego są zawsze otwarte, ponieważ załamują się na powierzchni naładowanych ciał.Ciała naładowane elektrycznie oddziałują na siebie: przeciwnie naładowane przyciągają i podobnie odpychają.

Naładowane elektrycznie ciała (cząstki) o ładunkach q1 i q2 oddziałują ze sobą siłą F, która jest wielkością wektorową i jest mierzona w niutonach (N). Ciała o przeciwnych ładunkach przyciągają się, a o podobnych ładunkach odpychają się.

Siła przyciągania lub odpychania zależy od wielkości ładunków na ciałach i odległości między nimi.

Ciała naładowane nazywamy punktowymi, jeśli ich wymiary liniowe są małe w porównaniu z odległością r między ciałami. Wielkość siły ich oddziaływania F zależy od wielkości ładunków q1 i q2, odległości r między nimi a środowiskiem, w którym znajdują się ładunki elektryczne.

Jeśli w przestrzeni między ciałami nie ma powietrza, ale jakiś inny dielektryk, to znaczy nieprzewodzący elektryczności, wówczas siła oddziaływania między ciałami zmniejszy się.

Wartość charakteryzująca właściwości dielektryka i pokazująca, ile razy zwiększy się siła oddziaływania między ładunkami, jeśli dany dielektryk zostanie zastąpiony powietrzem, nazywana jest przenikalnością względną danego dielektryka.

Stała dielektryczna jest równa: dla powietrza i gazów — 1; dla ebonitu — 2 — 4; dla miki 5 — 8; dla oleju 2 — 5; dla papieru 2 — 2,5; dla parafiny — 2 — 2,6.

Pole elektrostatyczne dwóch naładowanych ciał: a — tala są naładowane o tej samej nazwie, b — ciała są naładowane inaczej

Indukcja elektrostatyczna

Jeśli ciału przewodzącemu A o kulistym kształcie, odizolowanemu od otaczających przedmiotów, zostanie nałożony ujemny ładunek elektryczny, to znaczy wytworzenie w nim nadmiaru elektronów, wówczas ładunek ten zostanie równomiernie rozłożony na powierzchni ciała.Dzieje się tak dlatego, że elektrony, odpychając się od siebie, mają tendencję do zbliżania się do powierzchni ciała.

Nienaładowane ciało B, również odizolowane od otaczających przedmiotów, umieszczamy w polu ciała A. Wtedy na powierzchni ciała B pojawią się ładunki elektryczne, a na stronie zwróconej do ciała A ładunek przeciwny do ładunku ciała A ( dodatni ), a po drugiej stronie ładunek o tej samej nazwie co ładunek ciała A (ujemny). Tak rozłożone ładunki elektryczne pozostają na powierzchni ciała B, dopóki znajduje się ono w polu ciała A. Jeśli ciało B zostanie usunięte z pola lub ciało A zostanie usunięte, wówczas ładunek elektryczny na powierzchni ciała B zostanie zneutralizowany. Ta metoda elektryfikacji na odległość nazywa się indukcją elektrostatyczną lub elektryfikacją przez wpływ.

Zjawisko indukcji elektrostatycznej

Jest oczywiste, że taki stan naelektryzowany ciała jest wymuszany i utrzymywany wyłącznie przez działanie sił pola elektrycznego wytwarzanego przez ciało A.

Jeśli zrobimy to samo, gdy ciało A jest naładowane dodatnio, wówczas wolne elektrony z dłoni osoby pobiegną do ciała B, zneutralizują jego ładunek dodatni, a ciało B zostanie naładowane ujemnie.

Im wyższy stopień naelektryzowania ciała A, czyli im większy jego potencjał, tym większy potencjał może zostać naelektryzowany za pomocą ciała B o indukcji elektrostatycznej.

Doszliśmy więc do wniosku, że zjawisko indukcji elektrostatycznej umożliwia w pewnych warunkach akumulację Elektryczność na powierzchni ciał przewodzących.

Każde ciało można naładować do pewnej granicy, to znaczy do pewnego potencjału; wzrost potencjału poza limit powoduje wyrzucenie ciała do otaczającej atmosfery. Różne ciała potrzebują różnych ilości energii elektrycznej, aby doprowadzić je do tego samego potencjału. Innymi słowy, różne ciała zawierają różne ilości energii elektrycznej, to znaczy mają różne pojemności elektryczne (lub po prostu pojemności).

Pojemność elektryczna to zdolność ciała do przechowywania określonej ilości energii elektrycznej przy jednoczesnym zwiększeniu jego potencjału do określonej wartości. Im większa powierzchnia ciała, tym więcej ładunku elektrycznego ciało może pomieścić.

Jeśli ciało ma kształt kuli, to jego pojemność jest wprost proporcjonalna do promienia kuli. Pojemność mierzona jest w faradach.

Farada to pojemność takiego ciała, które po otrzymaniu ładunku elektrycznego w zawieszce zwiększa swój potencjał o jeden wolt... 1 farad = 1 000 000 mikrofaradów.

Pojemność elektryczna, czyli właściwość ciał przewodzących do gromadzenia w sobie ładunku elektrycznego, jest szeroko stosowana w elektrotechnice. Urządzenie opiera się na tej właściwości kondensatory elektryczne.

Pojemność kondensatora

Kondensator składa się z dwóch metalowych płyt (płyt), odizolowanych od siebie warstwą powietrza lub innym dielektrykiem (mika, papier itp.).

Jeżeli jednej z płyt nadano ładunek dodatni, a drugiej ujemny, to znaczy naładowano je przeciwnie, wówczas ładunki płyt, wzajemnie się przyciągające, będą utrzymywane na płytach. Pozwala to na skoncentrowanie znacznie większej ilości energii elektrycznej na płytach, niż gdyby były one ładowane w pewnej odległości od siebie.

Dlatego kondensator może służyć jako urządzenie, które przechowuje znaczną ilość energii elektrycznej na swoich płytach. Innymi słowy, kondensator jest magazynem energii elektrycznej.

Pojemność kondensatora jest równa:

C = eS / 4pl

gdzie C jest pojemnością; e jest stałą dielektryczną dielektryka; S — powierzchnia jednej płytki w cm2, NS — stała liczba (pi) równa 3,14; l — odległość między płytami w cm.

Z tego wzoru widać, że wraz ze wzrostem powierzchni płytek zwiększa się pojemność kondensatora, a wraz ze wzrostem odległości między nimi maleje.

Wyjaśnijmy tę zależność. Im większa powierzchnia płytek, tym więcej energii elektrycznej mogą one wchłonąć, a zatem pojemność kondensatora będzie większa.

Wraz ze zmniejszaniem się odległości między okładkami wzrasta wzajemne oddziaływanie (indukcja) między ich ładunkami, co umożliwia skupienie większej ilości energii elektrycznej na okładkach, a tym samym zwiększenie pojemności kondensatora.

Tak więc, jeśli chcemy uzyskać duży kondensator, musimy wziąć płytki o dużej powierzchni i zaizolować je cienką warstwą dielektryka.

Wzór pokazuje również, że wraz ze wzrostem stałej dielektrycznej dielektryka wzrasta pojemność kondensatora.

Dlatego kondensatory o tych samych wymiarach geometrycznych, ale zawierające różne dielektryki, mają różne pojemności.

Jeśli na przykład weźmiemy kondensator z dielektrykiem powietrza, którego stała dielektryczna jest równa jedności, i umieścimy między jego okładkami mikę o stałej dielektrycznej 5, wówczas pojemność kondensatora wzrośnie 5-krotnie.

Dlatego materiały takie jak mika, papier nasączony parafiną itp., których stała dielektryczna jest znacznie wyższa niż powietrze, są stosowane jako dielektryki w celu uzyskania dużej pojemności.

W związku z tym wyróżnia się następujące typy kondensatorów: powietrzny, stały dielektryk i ciekły dielektryk.

Ładowanie i rozładowywanie kondensatora. Prąd polaryzacji

Włączmy do obwodu kondensator o stałej pojemności. Ustawiając przełącznik na styku a, kondensator zostanie włączony do obwodu baterii. Igła miliamperomierza w momencie podłączenia kondensatora do obwodu odchyli się, a następnie stanie się zerowa.

Kondensator prądu stałego

Dlatego prąd elektryczny przepływał przez obwód w określonym kierunku. Jeśli przełącznik zostanie teraz ustawiony na styku b (tj. zamknie płytki), wówczas wskazówka miliamperomierza odchyli się w przeciwnym kierunku i powróci do zera. Dlatego też prąd przepływał przez obwód, ale w innym kierunku. Przeanalizujmy to zjawisko.

Gdy kondensator był podłączony do akumulatora, był on naładowany, to znaczy jego okładki otrzymały jeden ładunek dodatni, a drugi ujemny. Rozliczanie trwa do godz różnica potencjałów między okładkami kondensatora nie jest równa napięciu akumulatora. Miliamperomierz połączony szeregowo w obwodzie wskazuje prąd ładowania kondensatora, który zatrzymuje się natychmiast po naładowaniu kondensatora.

Gdy kondensator został odłączony od akumulatora, pozostawał naładowany, a różnica potencjałów między jego okładkami była równa napięciu akumulatora.

Jednak gdy tylko kondensator został zamknięty, zaczął się rozładowywać, a prąd rozładowania przepływał przez obwód, ale już w kierunku przeciwnym do prądu ładowania. Trwa to do momentu zaniku różnicy potencjałów między okładkami, czyli do momentu rozładowania kondensatora.

Dlatego jeśli kondensator jest włączony w obwód prądu stałego, prąd będzie płynął w obwodzie tylko w momencie ładowania kondensatora, aw przyszłości nie będzie prądu w obwodzie, ponieważ obwód zostanie przerwany przez dielektryk kondensatora.

Dlatego mówią, że „kondensator nie przepuszcza prądu stałego”.

Ilość energii elektrycznej (Q), jaką można zgromadzić na okładkach kondensatora, jego pojemność (C) oraz wartość napięcia dostarczanego do kondensatora (U) są powiązane następującą zależnością: Q = CU.

Ten wzór pokazuje, że im większa pojemność kondensatora, tym więcej energii elektrycznej można na nim skoncentrować bez znacznego zwiększania napięcia na jego płytkach.

Zwiększenie napięcia pojemnościowego DC zwiększa również ilość energii elektrycznej zmagazynowanej przez kondensator. Jeśli jednak do płytek kondensatora zostanie przyłożone duże napięcie, wówczas kondensator może zostać „zepsuty”, to znaczy pod działaniem tego napięcia dielektryk zapadnie się w jakimś miejscu i przepuści przez niego prąd. W takim przypadku kondensator przestanie działać. Aby uniknąć uszkodzenia kondensatorów, wskazują one wartość dopuszczalnego napięcia roboczego.

Zjawisko polaryzacji dielektrycznej

Przeanalizujmy teraz, co dzieje się w dielektryku, gdy kondensator jest ładowany i rozładowywany i dlaczego wartość pojemności zależy od stałej dielektrycznej?

Odpowiedź na to pytanie daje elektroniczna teoria budowy materii.

W dielektryku, jak w każdym izolatorze, nie ma swobodnych elektronów. W atomach dielektryka elektrony są ściśle związane z rdzeniem, dlatego napięcie przyłożone do okładek kondensatora nie powoduje kierunkowego ruchu elektronów w jego dielektryku, tj. prąd elektryczny, jak w przypadku przewodów.

Jednak pod działaniem sił pola elektrycznego wytwarzanych przez naładowane okładki elektrony krążące wokół jądra atomowego są przemieszczane w kierunku dodatnio naładowanej okładki kondensatora. Jednocześnie atom jest rozciągany w kierunku linii pola.Ten stan atomów dielektryka nazywamy spolaryzowanymi, a samo zjawisko polaryzacją dielektryczną.

Gdy kondensator jest rozładowany, spolaryzowany stan dielektryka zostaje przerwany, to znaczy przemieszczenie elektronów względem jądra spowodowane polaryzacją zanika, a atomy powracają do swojego zwykłego stanu niespolaryzowanego. Stwierdzono, że obecność dielektryka osłabia pole między okładkami kondensatora.

Różne dielektryki pod działaniem tego samego pola elektrycznego polaryzują się w różnym stopniu. Im łatwiej dielektryk ulega polaryzacji, tym bardziej osłabia pole. Na przykład polaryzacja powietrza powoduje mniejsze osłabienie pola niż polaryzacja jakiegokolwiek innego dielektryka.

Ale osłabienie pola między płytkami kondensatora pozwala skoncentrować na nich większą ilość energii elektrycznej Q przy tym samym napięciu U, co z kolei prowadzi do wzrostu pojemności kondensatora, ponieważ C = Q / U .

Doszliśmy więc do wniosku — im większa stała dielektryczna dielektryka, tym większa pojemność kondensatora zawierającego ten dielektryk w swoim składzie.

Przemieszczenie elektronów w atomach dielektryka, które następuje, jak już powiedzieliśmy, pod działaniem sił pola elektrycznego, powstaje w dielektryku w pierwszej chwili działania pola elektrycznego. prąd .Nazywany prądem odchylającym... Jest tak nazwany, ponieważ w przeciwieństwie do prądu przewodzenia w metalowych drutach, prąd przesunięcia jest generowany tylko przez przemieszczenie elektronów poruszających się w ich atomach.

Obecność tego prądu polaryzacji powoduje, że kondensator podłączony do źródła prądu przemiennego staje się jego przewodnikiem.

Zobacz też w tym temacie: Pole elektryczne i magnetyczne: jakie są różnice?

Główne charakterystyki pola elektrycznego i główne charakterystyki elektryczne ośrodka (podstawowe terminy i definicje)

Natężenie pola elektrycznego

Wielkość wektorowa charakteryzująca działanie siły pola elektrycznego na ciała i cząstki naładowane elektrycznie, równa granicy stosunku siły, z jaką pole elektryczne działa na nieruchome ciało naładowane punktowo, wprowadzone w rozważanym punkcie pola do ładunek tego ciała, gdy ładunek ten dąży do zera i którego kierunek zakłada się, że pokrywa się z kierunkiem siły działającej na dodatnio naładowane ciało punktowe.

Linia pola elektrycznego

Linia w dowolnym punkcie, którego styczna do niej pokrywa się z kierunkiem wektora natężenia pola elektrycznego.

Polaryzacja elektryczna

Stan skupienia charakteryzujący się tym, że moment elektryczny danej objętości tej substancji ma wartość różną od zera.

Przewodnictwo elektryczne

Właściwość substancji do przewodzenia, pod wpływem niezmiennego w czasie pola elektrycznego, niezmiennego w czasie prądu elektrycznego.

Dielektryk

Substancja, której główną właściwością elektryczną jest zdolność do polaryzacji w polu elektrycznym iw której możliwe jest długotrwałe istnienie pola elektrostatycznego.

Substancja przewodząca

Substancja, której główną właściwością elektryczną jest przewodnictwo elektryczne.

Dyrektor

Ciało przewodzące.

Substancja półprzewodnikowa (półprzewodnik)

Substancja, której przewodność elektryczna jest pośrednia między substancją przewodzącą a dielektrykiem i której wyróżniające właściwości to: wyraźna zależność przewodności elektrycznej od temperatury; zmiana przewodności elektrycznej pod wpływem pola elektrycznego, światła i innych czynników zewnętrznych; znaczna zależność jego przewodności elektrycznej od ilości i charakteru wprowadzanych zanieczyszczeń, co umożliwia wzmacnianie i korygowanie prądu elektrycznego, a także zamianę niektórych rodzajów energii na elektryczną.

Polaryzacja (intensywność polaryzacji)

Wielkość wektorowa charakteryzująca stopień polaryzacji elektrycznej dielektryka, równa granicy stosunku momentu elektrycznego pewnej objętości dielektryka do tej objętości, gdy ta ostatnia dąży do zera.

Stała elektryczna

Wielkość skalarna charakteryzująca pole elektryczne we wnęce, równa stosunkowi całkowitego ładunku elektrycznego zawartego w pewnej zamkniętej powierzchni do przepływu wektora natężenia pola elektrycznego przez tę powierzchnię w pustce.

Absolutna podatność dielektryczna

Wielkość skalarna charakteryzująca właściwość polaryzacji dielektryka w masie elektrycznej, równa stosunkowi wielkości polaryzacji do wielkości natężenia pola elektrycznego.

Czułość dielektryczna

Stosunek bezwzględnej podatności dielektrycznej w rozpatrywanym punkcie dielektryka do stałej elektrycznej.

Przemieszczenie elektryczne

Wielkość wektora równa sumie geometrycznej natężenia pola elektrycznego w rozpatrywanym punkcie pomnożonej przez stałą elektryczną i polaryzację w tym samym punkcie.

Bezwzględna stała dielektryczna

Wielkość skalarna charakteryzująca właściwości elektryczne dielektryka i równa stosunkowi wielkości przesunięcia elektrycznego do wielkości napięcia pola elektrycznego.

Stała dielektryczna

Stosunek bezwzględnej stałej dielektrycznej w rozważanym punkcie dielektryka do stałej elektrycznej.

Linia energetyczna przemieszczenia

Linia, w każdym punkcie której styczna do niej pokrywa się z kierunkiem wektora przemieszczenia elektrycznego.

Indukcja elektrostatyczna

Zjawisko indukcji ładunków elektrycznych na ciele przewodzącym pod wpływem zewnętrznego pola elektrostatycznego.

Stacjonarne pole elektryczne

Pole elektryczne prądów elektrycznych, które nie zmienia się w czasie, pod warunkiem, że przewodniki z prądem są nieruchome.

Potencjalne pole elektryczne

Pole elektryczne, w którym wirnik wektora natężenia pola elektrycznego jest wszędzie równy zeru.

Wirowe pole elektryczne

Pole elektryczne, w którym wirnik wektora natężenia nie zawsze jest równy zeru.

Różnica potencjałów elektrycznych w dwóch punktach

Wielkość skalarna charakteryzująca potencjalne pole elektryczne, równa granicy stosunku pracy sił tego pola, gdy dodatnio naładowane ciało punktowe jest przenoszone z jednego danego punktu pola do drugiego, do ładunku tego ciała , gdy ładunek ciała dąży do zera (inaczej: równy całce po linii natężenia pola elektrycznego z jednego danego punktu do drugiego).

Potencjał elektryczny w danym punkcie

Różnica między potencjałami elektrycznymi danego punktu i innego, określonego, ale arbitralnie wybranego punktu.

Pojemność elektryczna pojedynczego przewodnika

Wielkość skalarna charakteryzująca zdolność przewodnika do gromadzenia ładunku elektrycznego, równa stosunkowi ładunku przewodnika do jego potencjału, przy założeniu, że wszystkie inne przewodniki są nieskończenie odległe, a potencjał nieskończenie odległego punktu jest równy zeru.

Pojemność elektryczna między dwoma pojedynczymi przewodami

Wartość skalarna równa bezwzględnej wartości stosunku ładunku elektrycznego na jednym przewodniku do różnicy potencjałów elektrycznych dwóch przewodników, pod warunkiem, że te przewodniki mają tę samą wielkość, ale przeciwny znak, a wszystkie inne przewodniki są nieskończenie odległe.

Skraplacz

Układ dwóch przewodników (płyt) oddzielonych dielektrykiem zaprojektowanym do wykorzystania pojemności między dwoma przewodnikami.

Pojemność kondensatora

Wartość bezwzględna stosunku ładunku elektrycznego na jednej z okładek kondensatora do różnicy potencjałów między nimi, pod warunkiem, że okładki mają ładunki tej samej wielkości i przeciwnych znaków.

Pojemność między dwoma przewodami w systemie przewodów (pojemność częściowa)

Wartość bezwzględna stosunku ładunku elektrycznego jednego z przewodów wchodzących w skład układu przewodów do różnicy potencjałów między nim a innym przewodem, jeżeli wszystkie przewody, z wyjątkiem tego ostatniego, mają ten sam potencjał; jeżeli w rozważanym układzie przewodów uwzględniona jest ziemia, to jej potencjał przyjmuje się jako zerowy.

Pole elektryczne strony trzeciej

Pole wywołane procesami termicznymi, reakcjami chemicznymi, zjawiskami kontaktowymi, siłami mechanicznymi i innymi procesami nieelektromagnetycznymi (w badaniach makroskopowych); charakteryzuje się silnym oddziaływaniem na naładowane cząstki i ciała znajdujące się w obszarze występowania tego pola.

Pole elektryczne indukowane

Pole elektryczne indukowane przez zmienne w czasie pole magnetyczne.

Siła elektromotoryczna E. d. S.

Wielkość skalarna charakteryzująca zdolność zewnętrznego i indukowanego pola elektrycznego do indukowania prądu elektrycznego równego całce liniowej natężenia zewnętrznego i indukowanego pola elektrycznego między dwoma punktami wzdłuż rozważanej ścieżki lub wzdłuż rozważanego obwodu zamkniętego.

Napięcie

Wielkość skalarna równa całce liniowej natężenia wynikowego pola elektrycznego (elektrostatycznego, stacjonarnego, zewnętrznego, indukcyjnego) między dwoma punktami wzdłuż rozważanej ścieżki.