Električno polje, elektrostatična indukcija, kapacitivnost in kondenzatorji

Koncept električnega polja

Znano je, da v prostoru okoli električnih nabojev delujejo sile električnega polja. Številni poskusi na naelektrenih telesih to v celoti potrjujejo. Prostor okoli vsakega naelektrenega telesa je električno polje, v katerem delujejo električne sile.

Smer silnic polja imenujemo električne silnice. Zato je splošno sprejeto, da je električno polje skupek silnic.

Terenske črte imajo določene lastnosti:

• silnice vedno zapuščajo pozitivno nabito telo in vstopajo v negativno nabito telo;

• izstopajo v vseh smereh pravokotno na površino naelektrenega telesa in vstopajo vanj pravokotno;

• navidezno se silnici dveh enako nabitih teles odbijata, nasprotno nabiti telesi pa privlačita.

Silnice električnega polja so vedno odprte, ko se pretrgajo na površini nabitih teles.Električno nabita telesa medsebojno delujejo: nasprotno nabita se privlačijo in podobno odbijajo.

Električno nabita telesa (delci) z nabojem q1 in q2 medsebojno delujejo s silo F, ki je vektorska količina in se meri v newtonih (N). Telesa z nasprotnimi naboji se privlačijo, s podobnimi naboji pa se odbijajo.

Privlačna ali odbojna sila je odvisna od velikosti nabojev na telesih in od razdalje med njimi.

Naelektrena telesa imenujemo točkasta, če so njihove linearne dimenzije majhne v primerjavi z razdaljo r med telesi. Velikost njune interakcijske sile F je odvisna od velikosti nabojev q1 in q2, razdalje r med njima in okolja, v katerem se nahajata električna naboja.

Če v prostoru med telesi ni zraka, ampak kakšen drug dielektrik, to je neprevodnik električnega toka, potem se sila interakcije med telesi zmanjša.

Vrednost, ki označuje lastnosti dielektrika in kaže, kolikokrat se bo povečala sila interakcije med naboji, če dani dielektrik nadomestimo z zrakom, se imenuje relativna prepustnost danega dielektrika.

Dielektrična konstanta je enaka: za zrak in pline - 1; za ebonit - 2 - 4; za sljudo 5 — 8; za olje 2 — 5; za papir 2 — 2,5; za parafin - 2 - 2,6.

Elektrostatično polje dveh nabitih teles: a — tala sta naelektrena enako, b — telesa sta različno naelektrena.

Elektrostatična indukcija

Če prevodnemu telesu A sferične oblike, izoliranemu od okoliških predmetov, damo negativen električni naboj, to je, da v njem ustvarimo presežek elektronov, potem bo ta naboj enakomerno porazdeljen po površini telesa.To je zato, ker elektroni, ki se odbijajo, težijo k temu, da pridejo na površino telesa.

V polje telesa A postavimo nenaelektreno telo B, prav tako izolirano od okoliških predmetov. Takrat se bodo na površini telesa B pojavili električni naboji, na strani proti telesu A pa naboj, nasproten naboju telesa A ( pozitiven ), na drugi strani pa naboj z istim imenom kot naboj telesa A (negativen). Tako porazdeljeni električni naboji ostanejo na površini telesa B, medtem ko je le-to v polju telesa A. Če telo B odstranimo iz polja ali odstranimo telo A, se električni naboj na površini telesa B nevtralizira. Ta način elektrifikacije na daljavo imenujemo elektrostatična indukcija ali elektrifikacija z vplivom.

Pojav elektrostatične indukcije

Očitno je, da se tako naelektreno stanje telesa vsiljuje in vzdržuje izključno z delovanjem sil električnega polja, ki ga ustvarja telo A.

Če enako storimo, ko je telo A pozitivno nabito, potem bodo prosti elektroni iz človekove roke planili k telesu B, nevtralizirali njegov pozitivni naboj, telo B pa bo negativno naelektreno.

Večja kot je stopnja naelektrenosti telesa A, tj. večji kot je njegov potencial, večji potencial je mogoče naelektriti s pomočjo elektrostatične indukcije telesa B.

Tako smo prišli do zaključka, da pojav elektrostatične indukcije pod določenimi pogoji omogoča kopičenje elektrika na površini prevodnih teles.

Vsako telo lahko naelektrimo do določene meje, to je do določenega potenciala; povečanje potenciala preko meje povzroči izmet telesa v okoliško atmosfero. Različna telesa potrebujejo različne količine električne energije, da dosežejo enak potencial. Z drugimi besedami, različna telesa vsebujejo različne količine elektrike, to pomeni, da imajo različne električne kapacitete (ali preprosto kapacitete).

Električna kapaciteta je sposobnost telesa, da zadrži določeno količino elektrike in hkrati poveča svoj potencial na določeno vrednost. Večja kot je površina telesa, več električnega naboja telo lahko zadrži.

Če ima telo obliko krogle, potem je njegova zmogljivost premo sorazmerna s polmerom krogle. Kapacitivnost se meri v faradih.

Farada je kapaciteta takega telesa, ki po prejemu električnega naboja v obesku poveča svoj potencial za en volt... 1 farad = 1.000.000 mikrofaradov.

Električna zmogljivost, to je lastnost prevodnih teles, da v sebi kopičijo električni naboj, se pogosto uporablja v elektrotehniki. Naprava temelji na tej lastnosti električni kondenzatorji.

Kapacitivnost kondenzatorja

Kondenzator je sestavljen iz dveh kovinskih plošč (plošč), ločenih drug od drugega z zračno plastjo ali drugim dielektrikom (sljuda, papir itd.).

Če eni od plošč damo pozitiven naboj, drugi pa negativen, to pomeni, da ju napolnimo nasprotno, potem se naboji plošč, ki se medsebojno privlačijo, zadržijo na ploščah. To omogoča, da se na ploščah koncentrira veliko več elektrike, kot če bi bile napolnjene na razdalji ena od druge.

Zato lahko kondenzator služi kot naprava, ki v svojih ploščah shrani znatno količino električne energije. Z drugimi besedami, kondenzator je shramba električne energije.

Kapacitivnost kondenzatorja je enaka:

C = eS / 4pl

kjer je C kapacitivnost; e je dielektrična konstanta dielektrika; S - površina ene plošče v cm2, NS - konstantno število (pi), enako 3,14; l - razdalja med ploščami v cm.

Iz te formule je razvidno, da se s povečanjem površine plošč poveča kapaciteta kondenzatorja, s povečanjem razdalje med njimi pa se zmanjša.

Razložimo to odvisnost. Večja kot je površina plošč, več električne energije lahko absorbirajo in zato bo kapaciteta kondenzatorja večja.

Z zmanjševanjem razdalje med ploščama se povečuje medsebojni vpliv (indukcija) med njihovimi naboji, zaradi česar se na ploščah lahko koncentrira več elektrike in s tem poveča kapaciteta kondenzatorja.

Torej, če želimo dobiti velik kondenzator, moramo vzeti plošče z veliko površino in jih izolirati s tanko dielektrično plastjo.

Formula tudi kaže, da se z naraščanjem dielektrične konstante dielektrika povečuje kapacitivnost kondenzatorja.

Zato imajo kondenzatorji z enakimi geometrijskimi dimenzijami, vendar vsebujejo različne dielektrike, različne kapacitivnosti.

Če na primer vzamemo kondenzator z zračnim dielektrikom, katerega dielektrična konstanta je enaka enoti, in med njegove plošče postavimo sljudo z dielektrično konstanto 5, se bo kapacitivnost kondenzatorja povečala za 5-krat.

Zato se kot dielektriki za pridobitev velike kapacitete uporabljajo materiali, kot so sljuda, papir, impregniran s parafinom itd., katerih dielektrična konstanta je veliko višja od zraka.

V skladu s tem se razlikujejo naslednje vrste kondenzatorjev: zračni, trdni dielektrični in tekoči dielektrični.

Polnjenje in praznjenje kondenzatorja. Prednapetostni tok

V vezje vključimo kondenzator konstantne kapacitivnosti. S postavitvijo stikala na kontakt a se kondenzator vključi v tokokrog baterije. Igla miliampermetra v trenutku, ko je kondenzator priključen na vezje, bo odstopala in nato postala nič.

DC kondenzator

Zato je električni tok šel skozi tokokrog v določeni smeri. Če stikalo zdaj postavite na kontakt b (tj. zaprete plošče), se bo igla miliampermetra odklonila v drugo smer in se vrnila na nič. Zato je skozi vezje šel tudi tok, vendar v drugi smeri. Analizirajmo ta pojav.

Ko je bil kondenzator priključen na baterijo, se je napolnil, to pomeni, da sta njegovi plošči prejeli en pozitivni in drugi negativni naboj. Obračunavanje se nadaljuje do potencialna razlika med ploščama kondenzatorja ni enaka napetosti akumulatorja. Miliampermeter, ki je zaporedno povezan v vezje, kaže polnilni tok kondenzatorja, ki se ustavi takoj, ko je kondenzator napolnjen.

Ko je bil kondenzator odklopljen od akumulatorja, je ostal napolnjen, potencialna razlika med njegovimi ploščami pa je bila enaka napetosti akumulatorja.

Toda takoj, ko je bil kondenzator zaprt, se je začel prazniti in razelektritveni tok je šel skozi vezje, vendar že v smeri, nasprotni polnilnemu toku. To se nadaljuje, dokler potencialna razlika med ploščama ne izgine, torej dokler se kondenzator ne izprazni.

Če je torej kondenzator vključen v tokokrog enosmernega toka, bo tok tekel v tokokrogu samo v času polnjenja kondenzatorja, v prihodnosti pa v tokokrogu ne bo več toka, ker bo tokokrog prekinil dielektrik kondenzatorja.

Zato pravijo, da "kondenzator ne prepušča enosmernega toka".

Količina električne energije (Q), ki se lahko koncentrira na ploščah kondenzatorja, njegova zmogljivost (C) in vrednost napetosti, ki se dovaja kondenzatorju (U), so povezani z naslednjim razmerjem: Q = CU.

Ta formula kaže, da večja kot je zmogljivost kondenzatorja, več električne energije se lahko koncentrira na njem, ne da bi se bistveno povečala napetost na njegovih ploščah.

Povečanje enosmerne kapacitivnosti poveča tudi količino električne energije, shranjene v kondenzatorju. Če pa se na plošče kondenzatorja nanese velika napetost, se lahko kondenzator "zlomi", to pomeni, da se bo pod delovanjem te napetosti dielektrik na nekem mestu zrušil in pustil tok skozi njega. V tem primeru bo kondenzator prenehal delovati. Da bi se izognili poškodbam kondenzatorjev, označujejo vrednost dovoljene delovne napetosti.

Pojav dielektrične polarizacije

Analizirajmo zdaj, kaj se zgodi v dielektriku, ko se kondenzator polni in prazni in zakaj je vrednost kapacitivnosti odvisna od dielektrične konstante?

Odgovor na to vprašanje nam daje elektronska teorija zgradbe snovi.

V dielektriku, kot v vsakem izolatorju, ni prostih elektronov. V atomih dielektrika so elektroni tesno vezani na jedro, zato napetost na ploščah kondenzatorja ne povzroči usmerjenega gibanja elektronov v njegovem dielektriku, tj. električni tok, kot v primeru žic.

Vendar pa se pod delovanjem sil električnega polja, ki jih ustvarijo nabite plošče, elektroni, ki krožijo okoli atomskega jedra, premaknejo proti pozitivno nabiti kondenzatorski plošči. Hkrati je atom raztegnjen v smeri silnic polja.Tako stanje dielektričnih atomov imenujemo polarizirano, sam pojav pa imenujemo dielektrična polarizacija.

Ko se kondenzator izprazni, se polarizirano stanje dielektrika prekine, to pomeni, da premik elektronov glede na jedro, ki ga povzroča polarizacija, izgine in atomi se vrnejo v svoje običajno nepolarizirano stanje. Ugotovljeno je bilo, da prisotnost dielektrika oslabi polje med ploščama kondenzatorja.

Različni dielektriki se pod delovanjem istega električnega polja različno močno polarizirajo. Čim lažje se dielektrik polarizira, tem bolj oslabi polje. Polarizacija zraka na primer povzroči manjšo oslabitev polja kot polarizacija katerega koli drugega dielektrika.

Toda oslabitev polja med ploščama kondenzatorja vam omogoča, da na njih koncentrirate večjo količino električne energije Q pri isti napetosti U, kar posledično vodi do povečanja kapacitete kondenzatorja, saj je C = Q / U .

Tako smo prišli do zaključka - večja kot je dielektrična konstanta dielektrika, večja je kapaciteta kondenzatorja, ki vsebuje ta dielektrik v svoji sestavi.

Premik elektronov v atomih dielektrika, ki se pojavi, kot smo že povedali, pod delovanjem sil električnega polja, nastane v dielektriku v prvem trenutku delovanja polja električni Imenuje se odklonski tok... Tako se imenuje, ker v nasprotju s prevodnim tokom v kovinskih žicah tok odmika nastane le s premikom elektronov, ki se gibljejo v njihovih atomih.

Prisotnost tega prednapetostnega toka povzroči, da kondenzator, priključen na vir izmeničnega toka, postane njegov prevodnik.

Glej tudi na to temo: Električno in magnetno polje: kakšne so razlike?

Glavne značilnosti električnega polja in glavne električne lastnosti medija (osnovni pojmi in definicije)

Električna poljska jakost

Vektorska količina, ki označuje delovanje sile električnega polja na električno nabita telesa in delce, ki je enaka meji razmerja sile, s katero električno polje deluje na stacionarno točkovno nabito telo, uvedeno v obravnavani točki polja, na naboj tega telesa, ko ta naboj teži k nič in katerega smer se predpostavlja, da sovpada s smerjo sile, ki deluje na pozitivno nabito točkasto telo.

Črta električnega polja

Premica v kateri koli točki, katere tangenta nanjo sovpada s smerjo vektorja električne poljske jakosti.

Električna polarizacija

Agregatno stanje, za katerega je značilno, da ima električni moment dane prostornine te snovi vrednost, ki ni enaka nič.

Električna prevodnost

Lastnost snovi, da pod vplivom časovno nespremenljivega električnega polja prevaja električni tok, ki se s časom ne spreminja.

Dielektrik

Snov, katere glavna električna lastnost je sposobnost polarizacije v električnem polju in v kateri je možen dolgotrajen obstoj elektrostatičnega polja.

Prevodna snov

Snov, katere glavna električna lastnost je električna prevodnost.

Direktor

Prevodno telo.

Polprevodniška snov (polprevodnik)

Snov, katere električna prevodnost je vmesna med prevodno snovjo in dielektrikom in katere razločevalne lastnosti so: izrazita odvisnost električne prevodnosti od temperature; sprememba električne prevodnosti pri izpostavljenosti električnemu polju, svetlobi in drugim zunanjim dejavnikom; pomembna odvisnost njegove električne prevodnosti od količine in narave vnesenih nečistoč, kar omogoča ojačanje in popravljanje električnega toka ter pretvorbo nekaterih vrst energije v električno energijo.

Polarizacija (intenzivnost polarizacije)

Vektorska količina, ki označuje stopnjo električne polarizacije dielektrika, ki je enaka meji razmerja električnega momenta določene prostornine dielektrika na to prostornino, ko se ta nagiba k ničli.

Električna konstanta

Skalarna količina, ki označuje električno polje v votlini in je enaka razmerju med skupnim električnim nabojem, ki ga vsebuje določena zaprta površina, in tokom vektorja jakosti električnega polja skozi to površino v praznini.

Absolutna dielektrična občutljivost

Skalarna količina, ki označuje lastnost dielektrika, da je polariziran v električni masi, enaka razmerju med velikostjo polarizacije in velikostjo električne poljske jakosti.

Dielektrična občutljivost

Razmerje med absolutno dielektrično občutljivostjo na obravnavani točki dielektrika in električno konstanto.

Električni premik

Vektorska količina, ki je enaka geometrijski vsoti električne poljske jakosti v obravnavani točki, pomnoženi z električno konstanto in polarizacijo v isti točki.

Absolutna dielektrična konstanta

Skalarna količina, ki označuje električne lastnosti dielektrika in je enaka razmerju med velikostjo električnega odmika in velikostjo napetosti električnega polja.

Dielektrična konstanta

Razmerje med absolutno dielektrično konstanto na obravnavani točki dielektrika in električno konstanto.

Premični daljnovod

Premica, v vsaki točki katere tangenta nanjo sovpada s smerjo vektorja električnega premika.

Elektrostatična indukcija

Pojav indukcije električnih nabojev na prevodnem telesu pod vplivom zunanjega elektrostatičnega polja.

Stacionarno električno polje

Električno polje električnih tokov, ki se ne spreminjajo v času, pod pogojem, da vodniki, po katerih teče tok, mirujejo.

Potencialno električno polje

Električno polje, v katerem je rotor vektorja električne poljske jakosti povsod enak nič.

Vrtinčeno električno polje

Električno polje, v katerem rotor vektorja jakosti ni vedno enak nič.

Razlika električnih potencialov v dveh točkah

Skalarna količina, ki označuje potencialno električno polje, ki je enaka meji razmerja med delom sil tega polja, ko se pozitivno nabito točkovno telo prenese iz ene dane točke polja v drugo, in nabojem tega telesa. , ko naboj telesa teži k nič (sicer: enak linijskemu integralu jakosti električnega polja od ene dane točke do druge).

Električni potencial v dani točki

Razlika med električnimi potenciali dane točke in druge, določene, a poljubno izbrane točke.

Električna kapacitivnost enega vodnika

Skalarna količina, ki označuje sposobnost prevodnika, da kopiči električni naboj, enaka razmerju med nabojem prevodnika in njegovim potencialom, ob predpostavki, da so vsi drugi prevodniki neskončno oddaljeni in da je potencial neskončno oddaljene točke enak nič.

Električna kapacitivnost med dvema enojnima vodnikoma

Skalarna vrednost, ki je enaka absolutni vrednosti razmerja med električnim nabojem na enem prevodniku in razliko v električnih potencialih dveh prevodnikov, pod pogojem, da imata vodnika enako velikost, vendar nasproten predznak in da so vsi drugi prevodniki neskončno oddaljeni.

Kondenzator

Sistem dveh prevodnikov (plošč), ločenih z dielektrikom, ki je zasnovan za uporabo kapacitivnosti med dvema prevodnikoma.

Kapacitivnost kondenzatorja

Absolutna vrednost razmerja med električnim nabojem na eni od plošč kondenzatorja in potencialno razliko med njima, pod pogojem, da imajo plošče naboje enake velikosti in nasprotnega znaka.

Kapacitivnost med dvema vodnikoma v žičnem sistemu (delna kapacitivnost)

Absolutna vrednost razmerja električnega naboja enega od prevodnikov, vključenih v sistem prevodnikov, do potencialne razlike med njim in drugim prevodnikom, če imajo vsi vodniki, razen slednjega, enak potencial; če je tla vključena v obravnavani sistem žic, potem je njen potencial enak nič.

Električno polje tretje osebe

Polje, ki ga povzročajo toplotni procesi, kemijske reakcije, kontaktni pojavi, mehanske sile in drugi neelektromagnetni (pri makroskopskem pregledu) procesi; za katerega je značilen močan učinek na nabite delce in telesa, ki se nahajajo v območju, kjer obstaja to polje.

Inducirano električno polje

Električno polje, inducirano s časovno spremenljivim magnetnim poljem.

Elektromotorna sila E. d. S.

Skalarna količina, ki označuje sposobnost zunanjega in induciranega električnega polja, da inducira električni tok, ki je enak linearnemu integralu jakosti zunanjega in induciranega električnega polja med dvema točkama vzdolž obravnavane poti ali vzdolž obravnavanega sklenjenega kroga.

Napetost

Skalarna količina, ki je enaka linearnemu integralu jakosti nastalega električnega polja (elektrostatičnega, stacionarnega, zunanjega, induktivnega) med dvema točkama vzdolž obravnavane poti.