Elektrické pole, elektrostatická indukcia, kapacita a kondenzátory

Koncept elektrického poľa

Je známe, že sily elektrického poľa pôsobia v priestore okolo elektrických nábojov. Početné experimenty na nabitých telesách to plne potvrdzujú. Priestor okolo každého nabitého telesa je elektrické pole, v ktorom pôsobia elektrické sily.

Smer síl poľa sa nazývajú siločiary elektrického poľa. Preto sa všeobecne uznáva, že elektrické pole je súborom siločiar.

Siločiary majú určité vlastnosti:

• siločiary vždy opúšťajú kladne nabité teleso a vstupujú do záporne nabitého telesa;

• vystupujú vo všetkých smeroch kolmo na povrch nabitého telesa a vstupujú doň kolmo;

• siločiary dvoch rovnako nabitých telies sa zdanlivo odpudzujú a opačne nabité telesá sa priťahujú.

Siločiary elektrického poľa sú vždy otvorené, keď sa zlomia na povrchu nabitých telies.Elektricky nabité telesá interagujú: opačne nabité sa priťahujú a podobne odpudzujú.

Elektricky nabité telesá (častice) s nábojmi q1 a q2 na seba vzájomne pôsobia silou F, ktorá je vektorovou veličinou a meria sa v newtonoch (N). Telesá s opačnými nábojmi sa navzájom priťahujú a s podobnými nábojmi sa odpudzujú.

Sila príťažlivosti alebo odpudzovania závisí od veľkosti nábojov na telesách a od vzdialenosti medzi nimi.

Nabité telesá sa nazývajú bodové, ak sú ich lineárne rozmery malé v porovnaní so vzdialenosťou r medzi telesami. Veľkosť ich interakčnej sily F závisí od veľkosti nábojov q1 a q2, vzdialenosti r medzi nimi a prostredia, v ktorom sa elektrické náboje nachádzajú.

Ak v priestore medzi telesami nie je vzduch, ale nejaké iné dielektrikum, teda nevodič elektriny, potom sa sila interakcie medzi telesami zníži.

Hodnota charakterizujúca vlastnosti dielektrika a ukazujúca, koľkokrát vzrastie sila interakcie medzi nábojmi, ak sa dané dielektrikum nahradí vzduchom, sa nazýva relatívna permitivita daného dielektrika.

Dielektrická konštanta sa rovná: pre vzduch a plyny — 1; pre ebonit — 2 — 4; pre sľudu 5 — 8; pre olej 2 — 5; pre papier 2 — 2,5; na parafín — 2 — 2,6.

Elektrostatické pole dvoch nabitých telies: a — tala sú nabité rovnakým názvom, b — telesá sú nabité rozdielne

Elektrostatická indukcia

Ak sa vodivému telesu A s guľovitým tvarom, izolovanému od okolitých predmetov, pridelí záporný elektrický náboj, to znamená, že sa v ňom vytvorí prebytok elektrónov, potom sa tento náboj rovnomerne rozloží po povrchu telesa.Je to preto, že elektróny, ktoré sa navzájom odpudzujú, majú tendenciu dostať sa na povrch tela.

Do poľa telesa A umiestnime nenabité teleso B, tiež izolované od okolitých predmetov. Potom sa na povrchu telesa B objavia elektrické náboje a na strane privrátenej k telesu A náboj opačný ako náboj telesa A ( kladný ) a na druhej strane - náboj s rovnakým názvom ako náboj tela A (záporný). Takto rozložené elektrické náboje zostávajú na povrchu telesa B, kým sa nachádza v poli telesa A. Ak sa teleso B z poľa odstráni alebo teleso A odstráni, potom sa elektrický náboj na povrchu telesa B neutralizuje. Tento spôsob elektrifikácie na diaľku sa nazýva elektrostatická indukcia alebo elektrifikácia vplyvom.

Fenomén elektrostatickej indukcie

Je zrejmé, že takýto elektrifikovaný stav telesa je vynútený a udržiavaný výlučne pôsobením síl elektrického poľa vytvoreného telesom A.

Ak urobíme to isté, keď je telo A kladne nabité, potom sa voľné elektróny z ruky človeka ponáhľajú do tela B, neutralizujú jeho kladný náboj a telo B bude nabité záporne.

Čím vyšší je stupeň elektrifikácie telesa A, t.j. čím väčší je jeho potenciál, tým väčší potenciál môže byť elektrifikovaný pomocou elektrostatického indukčného telesa B.

Dospeli sme teda k záveru, že fenomén elektrostatickej indukcie umožňuje za určitých podmienok akumuláciu elektriny na povrchu vodivých telies.

Každé telo môže byť nabité na určitý limit, to znamená na určitý potenciál; zvýšenie potenciálu nad limit spôsobuje vyvrhnutie telesa do okolitej atmosféry. Rôzne telá potrebujú rôzne množstvá elektriny, aby dosiahli rovnaký potenciál. Inými slovami, rôzne telesá obsahujú rôzne množstvá elektriny, to znamená, že majú rôzne elektrické kapacity (alebo jednoducho kapacity).

Elektrická kapacita je schopnosť telesa obsiahnuť určité množstvo elektriny a zároveň zvýšiť svoj potenciál na určitú hodnotu. Čím väčší je povrch tela, tým viac elektrického náboja môže telo udržať.

Ak má teleso tvar gule, potom je jeho kapacita priamo úmerná polomeru gule. Kapacita sa meria vo faradoch.

Farada je kapacita takého telesa, ktoré po prijatí náboja elektriny v prívesku zvýši svoj potenciál o jeden volt... 1 farada = 1 000 000 mikrofarád.

Elektrická kapacita, teda vlastnosť vodivých telies akumulovať v sebe elektrický náboj, je široko používaná v elektrotechnike. Zariadenie je založené na tejto vlastnosti elektrické kondenzátory.

Kapacita kondenzátora

Kondenzátor pozostáva z dvoch kovových platní (dosiek), ktoré sú navzájom izolované vzduchovou vrstvou alebo iným dielektrikom (sľuda, papier atď.).

Ak je jedna z platní nabitá kladne a druhá záporne, to znamená, že ich nabijete opačne, náboje platní, ktoré sa navzájom priťahujú, sa budú držať na platniach. To umožňuje, aby sa na platniach sústredilo oveľa viac elektriny, ako keby sa nabíjali na diaľku od seba.

Preto môže kondenzátor slúžiť ako zariadenie, ktoré ukladá značné množstvo elektriny do svojich dosiek. Inými slovami, kondenzátor je zásobníkom elektrickej energie.

Kapacita kondenzátora sa rovná:

C = eS/4 pl

kde C je kapacita; e je dielektrická konštanta dielektrika; S — plocha jednej dosky v cm2, NS — konštantné číslo (pi) rovné 3,14; l — vzdialenosť medzi doskami v cm.

Z tohto vzorca je zrejmé, že so zväčšujúcou sa plochou dosiek sa zvyšuje kapacita kondenzátora a so zväčšovaním vzdialenosti medzi nimi klesá.

Poďme si vysvetliť túto závislosť. Čím väčšia je plocha dosiek, tým viac elektriny môžu absorbovať, a preto bude kapacita kondenzátora väčšia.

So zmenšujúcou sa vzdialenosťou medzi doskami sa zväčšuje vzájomný vplyv (indukcia) medzi ich nábojmi, čo umožňuje sústrediť viac elektriny na doskách a tým zvýšiť kapacitu kondenzátora.

Ak teda chceme získať veľký kondenzátor, musíme vziať dosky s veľkou plochou a izolovať ich tenkou dielektrickou vrstvou.

Vzorec tiež ukazuje, že so zvyšujúcou sa dielektrickou konštantou dielektrika sa zvyšuje kapacita kondenzátora.

Preto kondenzátory s rovnakými geometrickými rozmermi, ale s rôznymi dielektrikami, majú rôzne kapacity.

Ak napríklad zoberieme kondenzátor so vzduchovým dielektrikom, ktorého dielektrická konštanta sa rovná jednotke, a medzi jeho dosky vložíme sľudu s dielektrickou konštantou 5, potom sa kapacita kondenzátora zvýši 5-krát.

Preto sa na získanie veľkej kapacity ako dielektrika používajú materiály ako sľuda, papier impregnovaný parafínom atď., ktorých dielektrická konštanta je oveľa vyššia ako u vzduchu.

Podľa toho sa rozlišujú nasledujúce typy kondenzátorov: vzduchové, pevné dielektrikum a kvapalné dielektrikum.

Nabíjanie a vybíjanie kondenzátora. Predpätý prúd

Zahrňme do obvodu kondenzátor s konštantnou kapacitou. Umiestnením spínača na kontakt a sa kondenzátor zapojí do obvodu batérie. Ihla miliampéra v okamihu, keď je kondenzátor pripojený k obvodu, sa odchýli a potom sa vynuluje.

DC kondenzátor

Preto elektrický prúd prechádzal obvodom v určitom smere. Ak je teraz spínač umiestnený na kontakte b (tj zatvorte platničky), potom sa ručička miliampérmetra vychýli v opačnom smere a vráti sa na nulu. Preto obvodom tiež prechádzal prúd, ale iným smerom. Poďme analyzovať tento jav.

Keď bol kondenzátor pripojený k batérii, bol nabitý, to znamená, že jeho platne dostali jeden kladný a druhý záporný náboj. Účtovanie pokračuje do potenciálny rozdiel medzi doskami kondenzátora sa nerovná napätiu batérie. Miliampérmeter zapojený do série v obvode indikuje nabíjací prúd kondenzátora, ktorý sa zastaví ihneď po nabití kondenzátora.

Keď bol kondenzátor odpojený od batérie, zostal nabitý a potenciálny rozdiel medzi jeho doskami sa rovnal napätiu batérie.

Akonáhle sa však kondenzátor zatvoril, začal sa vybíjať a vybíjací prúd prechádzal obvodom, ale už v opačnom smere ako nabíjací prúd. Toto pokračuje, kým nezmizne potenciálny rozdiel medzi doskami, to znamená, kým sa kondenzátor nevybije.

Ak je teda kondenzátor zaradený do obvodu jednosmerného prúdu, prúd bude prúdiť v obvode iba v čase nabíjania kondenzátora a v budúcnosti nebude v obvode prúd, pretože obvod bude prerušený dielektrikom. kondenzátora.

Preto sa hovorí, že «Kondenzátor neprechádza jednosmerným prúdom».

Množstvo elektriny (Q), ktoré môže byť sústredené na doskách kondenzátora, jeho kapacita (C) a hodnota napätia privádzaného do kondenzátora (U) súvisia podľa nasledujúceho vzťahu: Q = CU.

Tento vzorec ukazuje, že čím väčšia je kapacita kondenzátora, tým viac elektriny sa naň môže sústrediť bez výrazného zvýšenia napätia na jeho platniach.

Zvýšenie jednosmerného kapacitného napätia tiež zvyšuje množstvo elektriny uloženej v kondenzátore. Ak sa však na dosky kondenzátora privedie veľké napätie, kondenzátor sa môže „rozbiť“, to znamená, že pri pôsobení tohto napätia sa dielektrikum na nejakom mieste zrúti a nechá ním prejsť prúd. V tomto prípade kondenzátor prestane fungovať. Aby nedošlo k poškodeniu kondenzátorov, uvádzajú hodnotu prípustného prevádzkového napätia.

Fenomén polarizácie dielektrika

Poďme teraz analyzovať, čo sa deje v dielektriku, keď sa kondenzátor nabíja a vybíja a prečo hodnota kapacity závisí od dielektrickej konštanty?

Odpoveď na túto otázku nám dáva elektronická teória štruktúry hmoty.

V dielektriku, ako v každom izolátore, nie sú žiadne voľné elektróny. V atómoch dielektrika sú elektróny pevne viazané na jadro, preto napätie privedené na dosky kondenzátora nespôsobuje v jeho dielektriku smerový pohyb elektrónov, t.j. elektrický prúd, ako v prípade drôtov.

Pôsobením síl elektrického poľa vytváraného nabitými doskami sa však elektróny otáčajúce sa okolo atómového jadra posúvajú smerom ku kladne nabitej doske kondenzátora. Atóm je zároveň natiahnutý v smere siločiar.Tento stav dielektrických atómov sa nazýva polarizovaný a samotný jav sa nazýva polarizácia dielektrika.

Keď sa kondenzátor vybije, polarizovaný stav dielektrika sa naruší, to znamená, že posunutie elektrónov voči jadru spôsobené polarizáciou zmizne a atómy sa vrátia do svojho obvyklého nepolarizovaného stavu. Zistilo sa, že prítomnosť dielektrika oslabuje pole medzi doskami kondenzátora.

Rôzne dielektriká sa pôsobením toho istého elektrického poľa polarizujú do rôznych stupňov. Čím ľahšie je dielektrikum polarizované, tým viac oslabuje pole. Polarizácia vzduchu má napríklad za následok menšie oslabenie poľa ako polarizácia akéhokoľvek iného dielektrika.

Ale oslabenie poľa medzi doskami kondenzátora vám umožňuje sústrediť sa na ne väčšie množstvo elektriny Q pri rovnakom napätí U, čo zase vedie k zvýšeniu kapacity kondenzátora, pretože C = Q / U .

Takže sme dospeli k záveru - čím väčšia je dielektrická konštanta dielektrika, tým väčšia je kapacita kondenzátora, ktorý obsahuje toto dielektrikum vo svojom zložení.

Posunom elektrónov v atómoch dielektrika, ku ktorému dochádza, ako sme už povedali, pôsobením síl elektrického poľa, vzniká v dielektriku v prvom momente pôsobenia poľa el. Nazýva sa vychyľovací prúd... Nazýva sa tak preto, lebo na rozdiel od vodivého prúdu v kovových drôtoch sa posuvný prúd generuje iba posunutím elektrónov pohybujúcich sa v ich atómoch.

Prítomnosť tohto predpätia spôsobuje, že kondenzátor pripojený k zdroju striedavého prúdu sa stane jeho vodičom.

Pozri tiež na túto tému: Elektrické a magnetické pole: Aké sú rozdiely?

Hlavné charakteristiky elektrického poľa a hlavné elektrické charakteristiky média (základné pojmy a definície)

Intenzita elektrického poľa

Vektorová veličina charakterizujúca silové pôsobenie elektrického poľa na elektricky nabité telesá a častice, rovná limitu pomeru sily, ktorou elektrické pole pôsobí na stacionárne bodovo nabité teleso zavedené v uvažovanom bode poľa k. náboj tohto telesa, keď tento náboj smeruje k nule a ktorého smer sa predpokladá, že sa zhoduje so smerom sily pôsobiacej na kladne nabité bodové teleso.

Elektrická siločiara

Čiara v ľubovoľnom bode, ktorej dotyčnica k nej sa zhoduje so smerom vektora intenzity elektrického poľa.

Elektrická polarizácia

Stav hmoty charakterizovaný skutočnosťou, že elektrický moment daného objemu tejto látky má inú hodnotu ako nulu.

Elektrická vodivosť

Vlastnosť látky viesť pod vplyvom elektrického poľa, ktoré sa v čase nemení, elektrický prúd, ktorý sa v čase nemení.

Dielektrikum

Látka, ktorej hlavnou elektrickou vlastnosťou je schopnosť polarizácie v elektrickom poli a v ktorej je možná dlhodobá existencia elektrostatického poľa.

Vodivá látka

Látka, ktorej hlavnou elektrickou vlastnosťou je elektrická vodivosť.

riaditeľ

Vodivé teleso.

Polovodičová látka (polovodič)

Látka, ktorej elektrická vodivosť je medzi vodivou látkou a dielektrikom a ktorej rozlišovacie vlastnosti sú: výrazná závislosť elektrickej vodivosti od teploty; zmena elektrickej vodivosti pri vystavení elektrickému poľu, svetlu a iným vonkajším faktorom; výrazná závislosť jeho elektrickej vodivosti od množstva a povahy vnesených nečistôt, čo umožňuje zosilniť a korigovať elektrický prúd, ako aj premeniť niektoré druhy energie na elektrickú.

Polarizácia (intenzita polarizácie)

Vektorová veličina charakterizujúca stupeň elektrickej polarizácie dielektrika, ktorá sa rovná limitu pomeru elektrického momentu určitého objemu dielektrika k tomuto objemu, keď tento má tendenciu k nule.

Elektrická konštanta

Skalárna veličina charakterizujúca elektrické pole v dutine, ktorá sa rovná pomeru celkového elektrického náboja obsiahnutého v určitom uzavretom povrchu k toku vektora intenzity elektrického poľa cez tento povrch v prázdnote.

Absolútna dielektrická citlivosť

Skalárna veličina charakterizujúca vlastnosť dielektrika byť polarizovaná v elektrickej hmote, ktorá sa rovná pomeru veľkosti polarizácie k veľkosti intenzity elektrického poľa.

Dielektrická citlivosť

Pomer absolútnej dielektrickej susceptibility v uvažovanom bode dielektrika k elektrickej konštante.

Elektrický posun

Vektorová veličina rovnajúca sa geometrickému súčtu intenzity elektrického poľa v uvažovanom bode vynásobenej elektrickou konštantou a polarizáciou v tom istom bode.

Absolútna dielektrická konštanta

Skalárna veličina charakterizujúca elektrické vlastnosti dielektrika a rovná sa pomeru veľkosti elektrického posunu k veľkosti napätia elektrického poľa.

Dielektrická konštanta

Pomer absolútnej dielektrickej konštanty v uvažovanom bode dielektrika k elektrickej konštante.

Výtlakové elektrické vedenie

Čiara, ktorej dotyčnica sa v každom bode zhoduje so smerom vektora elektrického posunu.

Elektrostatická indukcia

Fenomén indukcie elektrických nábojov na vodivom telese vplyvom vonkajšieho elektrostatického poľa.

Stacionárne elektrické pole

Elektrické pole elektrických prúdov, ktoré sa v čase nemenia, za predpokladu, že vodiče s prúdom sú stacionárne.

Potenciálne elektrické pole

Elektrické pole, v ktorom je rotor vektora intenzity elektrického poľa všade rovný nule.

Vírivé elektrické pole

Elektrické pole, v ktorom rotor vektora intenzity nie je vždy rovný nule.

Rozdiel elektrických potenciálov v dvoch bodoch

Skalárna veličina charakterizujúca potenciálne elektrické pole, ktorá sa rovná hranici pomeru práce síl tohto poľa, keď sa kladne nabité bodové teleso prenáša z jedného daného bodu poľa do druhého, k náboju tohto telesa. , keď náboj telesa má tendenciu k nule (inak: rovný integrálu sily elektrického poľa z jedného daného bodu do druhého).

Elektrický potenciál v danom bode

Rozdiel medzi elektrickými potenciálmi daného bodu a iného, ​​určeného, ​​ale ľubovoľne zvoleného bodu.

Elektrická kapacita jedného vodiča

Skalárna veličina charakterizujúca schopnosť vodiča akumulovať elektrický náboj, ktorá sa rovná pomeru náboja vodiča k jeho potenciálu za predpokladu, že všetky ostatné vodiče sú nekonečne vzdialené a potenciál nekonečne vzdialeného bodu sa považuje za nulový.

Elektrická kapacita medzi dvoma samostatnými vodičmi

Skalárna hodnota rovnajúca sa absolútnej hodnote pomeru elektrického náboja na jednom vodiči k rozdielu elektrických potenciálov dvoch vodičov za predpokladu, že tieto vodiče majú rovnakú veľkosť, ale opačné znamienko a že všetky ostatné vodiče sú nekonečne vzdialené.

Kondenzátor

Systém dvoch vodičov (dosiek) oddelených dielektrikom navrhnutých na využitie kapacity medzi týmito dvoma vodičmi.

Kapacita kondenzátora

Absolútna hodnota pomeru elektrického náboja na jednej z dosiek kondenzátora k potenciálnemu rozdielu medzi nimi za predpokladu, že dosky majú náboje rovnakej veľkosti a opačného znamienka.

Kapacita medzi dvoma vodičmi v drôtovom systéme (čiastočná kapacita)

Absolútna hodnota pomeru elektrického náboja jedného z vodičov zahrnutých v systéme vodičov k potenciálnemu rozdielu medzi ním a iným vodičom, ak všetky vodiče, okrem druhého, majú rovnaký potenciál; ak je zem zahrnutá do uvažovaného systému drôtov, potom sa jej potenciál považuje za nulový.

Elektrické pole tretej strany

Pole spôsobené tepelnými procesmi, chemickými reakciami, kontaktnými javmi, mechanickými silami a inými neelektromagnetickými (pri makroskopickom vyšetrení) procesmi; charakterizované silným účinkom na nabité častice a telesá nachádzajúce sa v oblasti, kde toto pole existuje.

Indukované elektrické pole

Elektrické pole indukované časovo premenlivým magnetickým poľom.

Elektromotorická sila E. d. S.

Skalárna veličina, ktorá charakterizuje schopnosť vonkajšieho a indukovaného elektrického poľa indukovať elektrický prúd rovný lineárnemu integrálu sily vonkajšieho a indukovaného elektrického poľa medzi dvoma bodmi pozdĺž uvažovanej dráhy alebo pozdĺž uvažovaného uzavretého okruhu.

Napätie

Skalárna veličina rovnajúca sa lineárnemu integrálu sily výsledného elektrického poľa (elektrostatického, stacionárneho, vonkajšieho, indukčného) medzi dvoma bodmi pozdĺž uvažovanej dráhy.