Elektriskt fält, elektrostatisk induktion, kapacitans och kondensatorer

Elektriskt fält koncept

Det är känt att elektriska fältkrafter verkar i utrymmet runt elektriska laddningar. Många experiment på laddade kroppar bekräftar detta till fullo. Utrymmet runt en laddad kropp är ett elektriskt fält i vilket elektriska krafter verkar.

Riktningen av fältkrafterna kallas elektriska fältlinjer. Därför är det allmänt accepterat att ett elektriskt fält är en samling kraftlinjer.

Fältlinjerna har vissa egenskaper:

• kraftlinjer lämnar alltid en positivt laddad kropp och går in i en negativt laddad kropp;

• de går ut i alla riktningar vinkelrätt mot den laddade kroppens yta och går in i den vinkelrätt;

• kraftlinjerna hos två lika laddade kroppar verkar stöta bort varandra, och motsatt laddade kroppar attraherar.

De elektriska fältens kraftlinjer är alltid öppna när de går sönder vid ytan av laddade kroppar.Elektriskt laddade kroppar samverkar: motsatt laddade attraherar och repellerar på liknande sätt.

Elektriskt laddade kroppar (partiklar) med laddningar q1 och q2 samverkar med varandra med en kraft F, som är en vektorstorhet och mäts i newton (N). Kroppar med motsatta laddningar attraherar varandra och med liknande laddningar stöter bort varandra.

Attraktions- eller avstötningskraften beror på storleken på laddningarna på kropparna och på avståndet mellan dem.

Laddade kroppar kallas punkt om deras linjära dimensioner är små jämfört med avståndet r mellan kropparna. Storleken på deras interaktionskraft F beror på storleken på laddningarna q1 och q2, avståndet r mellan dem och miljön där de elektriska laddningarna är belägna.

Om det inte finns någon luft i utrymmet mellan kropparna, men någon annan dielektrikum, det vill säga en icke-ledare av elektricitet, kommer kraften av interaktion mellan kropparna att minska.

Värdet som kännetecknar egenskaperna hos ett dielektrikum och visar hur många gånger kraften av växelverkan mellan laddningar kommer att öka om ett givet dielektrikum ersätts med luft kallas den relativa permittiviteten för ett givet dielektrikum.

Dielektricitetskonstanten är lika med: för luft och gaser — 1; för ebonit — 2 — 4; för glimmer 5 — 8; för olja 2 — 5; för papper 2 — 2,5; för paraffin — 2 — 2,6.

Det elektrostatiska fältet för två laddade kroppar: a — tala laddas med samma namn, b — kroppar laddas olika

Elektrostatisk induktion

Om en ledande kropp A med en sfärisk form, isolerad från omgivande föremål, ges en negativ elektrisk laddning, det vill säga för att skapa ett överskott av elektroner i den, kommer denna laddning att fördelas jämnt över kroppens yta.Detta beror på att elektronerna, som stöter bort varandra, tenderar att komma till kroppens yta.

Vi placerar en oladdad kropp B, också isolerad från omgivande föremål, i fältet för kropp A. Då kommer elektriska laddningar att uppstå på ytan av kropp B, och på den sida som är vänd mot kropp A, en laddning motsatt laddningen av kropp A ( positiv ), och på andra sidan - en laddning med samma namn som laddningen av kroppen A (negativ). De elektriska laddningarna som sålunda fördelas stannar kvar på ytan av kropp B medan den befinner sig i fältet av kropp A. Om kropp B avlägsnas från fältet eller kropp A avlägsnas, så neutraliseras den elektriska laddningen på ytan av kropp B. Denna metod för elektrifiering på avstånd kallas elektrostatisk induktion eller elektrifiering genom påverkan.

Fenomenet elektrostatisk induktion

Det är uppenbart att ett sådant elektrifierat tillstånd hos kroppen tvingas fram och upprätthålls uteslutande av verkan av krafterna från det elektriska fältet som skapas av kroppen A.

Om vi ​​gör samma sak när kropp A är positivt laddad, kommer de fria elektronerna från en persons hand att rusa till kropp B, neutralisera dess positiva laddning och kropp B kommer att vara negativt laddad.

Ju högre grad av elektrifiering av kropp A, dvs ju större potential, desto större potential kan elektrifieras med hjälp av elektrostatisk induktionskropp B.

Således kom vi till slutsatsen att fenomenet elektrostatisk induktion gör det möjligt att under vissa förhållanden ackumulera elektricitet på ytan av ledande kroppar.

Vilken kropp som helst kan laddas till en viss gräns, det vill säga till en viss potential; en ökning av potentialen över gränsen gör att kroppen kastas ut i den omgivande atmosfären. Olika kroppar behöver olika mängder el för att få dem till samma potential. Med andra ord innehåller olika kroppar olika mängder el, det vill säga de har olika elektrisk kapacitet (eller helt enkelt kapacitet).

Elektrisk kapacitet är en kropps förmåga att innehålla en viss mängd el samtidigt som den ökar dess potential till ett visst värde. Ju större yta kroppen är, desto mer elektrisk laddning kan kroppen hålla.

Om kroppen har formen av en boll, är dess kapacitet direkt proportionell mot bollens radie. Kapacitansen mäts i farad.

En farada är kapaciteten hos en sådan kropp som, efter att ha fått en laddning av elektricitet i ett hängande, ökar sin potential med en volt... 1 farad = 1 000 000 mikrofarad.

Elektrisk kapacitet, det vill säga egenskapen hos ledande kroppar att ackumulera elektrisk laddning i sig själva, används ofta inom elektroteknik. Enheten är baserad på denna egenskap elektriska kondensatorer.

Kapacitans för kondensatorn

En kondensator består av två metallplattor (plattor), isolerade från varandra med ett luftskikt eller annat dielektrikum (glimmer, papper, etc.).

Om en av plattorna får en positiv laddning och den andra är negativ, det vill säga ladda dem motsatt, kommer laddningarna från plattorna, som attraherar varandra, att hållas på plattorna. Detta gör att mycket mer el kan koncentreras på plattorna än om de laddades på avstånd från varandra.

Därför kan en kondensator fungera som en enhet som lagrar en betydande mängd elektricitet i sina plattor. Med andra ord är en kondensator ett lager av elektrisk energi.

Kapacitansen för kondensatorn är lika med:

C = eS / 4 pl

där C är kapacitansen; e är dielektrikumets dielektriska konstant; S - arean av en platta i cm2, NS - konstant nummer (pi) lika med 3,14; l — avstånd mellan plattorna i cm.

Från denna formel kan det ses att när plattornas yta ökar, ökar kondensatorns kapacitet, och när avståndet mellan dem ökar, minskar det.

Låt oss förklara detta beroende. Ju större yta på plattorna är, desto mer elektricitet kan de absorbera och därför blir kondensatorns kapacitet större.

När avståndet mellan plattorna minskar ökar det ömsesidiga inflytandet (induktionen) mellan deras laddningar, vilket gör det möjligt att koncentrera mer elektricitet på plattorna och därmed öka kondensatorns kapacitet.

Således, om vi vill få en stor kondensator, måste vi ta plattor med en stor yta och isolera dem med ett tunt dielektriskt lager.

Formeln visar också att när dielektrikumets dielektriska konstant ökar, ökar kondensatorns kapacitans.

Därför har kondensatorer med samma geometriska dimensioner men som innehåller olika dielektrikum olika kapacitanser.

Om vi ​​till exempel tar en kondensator med en luftdielektrikum vars dielektricitetskonstant är lika med enhet och lägger glimmer med en dielektricitetskonstant på 5 mellan dess plattor, så kommer kondensatorns kapacitans att öka med 5 gånger.

Därför används material som glimmer, papper impregnerat med paraffin etc., vars dielektricitetskonstant är mycket högre än luftens, som dielektrikum för att få en stor kapacitet.

Följaktligen särskiljs följande typer av kondensatorer: luft, fast dielektrikum och flytande dielektrisk.

Laddar och laddar ur kondensatorn. Bias ström

Låt oss inkludera en kondensator med konstant kapacitans i kretsen. Genom att sätta strömbrytaren på kontakt a kommer kondensatorn att ingå i batterikretsen. Nålen på milliammetern i det ögonblick då kondensatorn är ansluten till kretsen kommer att avvika och sedan bli noll.

DC kondensator

Därför passerade en elektrisk ström genom kretsen i en viss riktning. Om strömbrytaren nu placeras på kontakt b (dvs. stäng plattorna), så kommer milliammeternålen att avböjas åt andra hållet och återgå till noll. Därför gick också en ström genom kretsen, men i en annan riktning. Låt oss analysera detta fenomen.

När kondensatorn var ansluten till batteriet laddades den, det vill säga dess plattor fick en positiv och den andra negativ laddning. Faktureringen fortsätter till kl möjlig skillnad mellan kondensatorplattorna är inte lika med batterispänningen. En milliammeter kopplad i serie i kretsen indikerar laddningsströmmen för kondensatorn, som stannar omedelbart efter att kondensatorn laddas.

När kondensatorn kopplades bort från batteriet förblev den laddad och potentialskillnaden mellan dess plattor var lika med batterispänningen.

Men så snart kondensatorn stängdes började den laddas ur och urladdningsströmmen gick genom kretsen, men redan i motsatt riktning mot laddningsströmmen. Detta fortsätter tills potentialskillnaden mellan plattorna försvinner, det vill säga tills kondensatorn laddas ur.

Därför, om kondensatorn ingår i DC-kretsen, kommer strömmen att flyta i kretsen endast vid tidpunkten för laddning av kondensatorn, och i framtiden kommer det inte att finnas någon ström i kretsen, eftersom kretsen kommer att brytas av dielektrikumet av kondensatorn.

Det är därför de säger att "En kondensator passerar inte likström".

Mängden elektricitet (Q) som kan koncentreras på kondensatorns plattor, dess kapacitet (C) och värdet på spänningen som tillförs kondensatorn (U) är relaterad till följande förhållande: Q = CU.

Denna formel visar att ju större kapacitet kondensatorn har, desto mer elektricitet kan koncentreras på den utan att märkbart öka spänningen på dess plattor.

En ökning av DC-kapacitansspänningen ökar också mängden elektricitet som lagras av kondensatorn. Men om en stor spänning appliceras på kondensatorns plattor, kan kondensatorn "brytas", det vill säga under inverkan av denna spänning kommer dielektrikumet att kollapsa på någon plats och låta strömmen passera genom den. I detta fall kommer kondensatorn att sluta fungera. För att undvika skador på kondensatorerna anger de värdet på den tillåtna driftspänningen.

Fenomen av dielektrisk polarisering

Låt oss nu analysera vad som händer i ett dielektrikum när en kondensator laddas och urladdas och varför värdet på kapacitansen beror på dielektricitetskonstanten?

Svaret på denna fråga ger oss den elektroniska teorin om materiens struktur.

I ett dielektrikum, som i vilken isolator som helst, finns det inga fria elektroner. I dielektrikumets atomer är elektronerna tätt bundna till kärnan, därför orsakar spänningen som appliceras på kondensatorns plattor inte en riktningsrörelse av elektroner i dess dielektrikum, dvs. elektrisk ström, som i fallet med ledningar.

Men under inverkan av de elektriska fältkrafterna som skapas av de laddade plattorna, förskjuts elektronerna som kretsar runt atomkärnan mot den positivt laddade kondensatorplattan. Samtidigt sträcks atomen i fältlinjernas riktning.Detta tillstånd av dielektriska atomer kallas polariserad, och själva fenomenet kallas dielektrisk polarisation.

När kondensatorn är urladdad bryts det polariserade tillståndet hos dielektrikumet, det vill säga förskjutningen av elektronerna i förhållande till kärnan som orsakas av polariseringen försvinner och atomerna återgår till sitt vanliga opolariserade tillstånd. Det visade sig att närvaron av dielektrikum försvagar fältet mellan kondensatorns plattor.

Olika dielektrika under inverkan av samma elektriska fält polariseras i olika grad. Ju lättare dielektrikumet polariseras, desto mer försvagar det fältet. Polarisering av luft, till exempel, resulterar i mindre fältförsvagning än polarisering av något annat dielektrikum.

Men försvagningen av fältet mellan plattorna på kondensatorn gör att du kan koncentrera dig på dem en större mängd elektricitet Q vid samma spänning U, vilket i sin tur leder till en ökning av kondensatorns kapacitet, eftersom C = Q / U .

Så vi kom till slutsatsen - ju större dielektrikumets dielektriska konstant är, desto större kapacitet har kondensatorn som innehåller denna dielektrikum i sin sammansättning.

Förskjutningen av elektroner i dielektrikumets atomer, som sker, som vi redan har sagt, under inverkan av krafterna från det elektriska fältet, bildas i dielektrikumet, i det första ögonblicket av fältets verkan, en elektrisk ström Kallas en avböjningsström... Den heter så för att till skillnad från ledningsströmmen i metalltrådar genereras förskjutningsströmmen endast genom förskjutning av elektroner som rör sig i deras atomer.

Närvaron av denna förspänning gör att kondensatorn som är ansluten till AC-källan blir dess ledare.

Se även om detta ämne: Elektriskt och magnetiskt fält: Vad är skillnaderna?

Det elektriska fältets huvudsakliga egenskaper och mediets huvudsakliga elektriska egenskaper (grundläggande termer och definitioner)

Elektrisk fältstyrka

En vektorstorhet som kännetecknar kraftverkan av ett elektriskt fält på elektriskt laddade kroppar och partiklar, lika med gränsen för förhållandet mellan kraften med vilken det elektriska fältet verkar på en stationär punktladdad kropp införd vid den aktuella punkten av fältet till laddningen av denna kropp när denna laddning tenderar till noll och vars riktning antas sammanfalla med riktningen för kraften som verkar på en positivt laddad punktkropp.

En elektrisk fältlinje

En linje vid vilken punkt som helst vars tangent till den sammanfaller med riktningen för den elektriska fältstyrkevektorn.

Elektrisk polarisering

Materiens tillstånd som kännetecknas av att det elektriska momentet för en given volym av det ämnet har ett annat värde än noll.

Elektrisk konduktivitet

Ett ämnes egenskap att leda, under inverkan av ett elektriskt fält som inte förändras med tiden, en elektrisk ström som inte förändras med tiden.

Dielektrisk

Ett ämne vars huvudsakliga elektriska egenskap är förmågan att polarisera i ett elektriskt fält och där långtidsexistensen av ett elektrostatiskt fält är möjlig.

Ett ledande ämne

Ett ämne vars huvudsakliga elektriska egenskap är elektrisk ledningsförmåga.

Direktör

Ledande kropp.

Halvledarsubstans (halvledare)

Ett ämne vars elektriska ledningsförmåga är mellanliggande mellan ett ledande ämne och ett dielektrikum och vars särskiljande egenskaper är: ett uttalat beroende av elektrisk ledningsförmåga på temperatur; förändring i elektrisk ledningsförmåga när den utsätts för ett elektriskt fält, ljus och andra yttre faktorer; betydande beroende av dess elektriska ledningsförmåga på mängden och naturen av de införda föroreningarna, vilket gör det möjligt att förstärka och korrigera den elektriska strömmen, samt att omvandla vissa typer av energi till elektricitet.

Polarisation (polarisationsintensitet)

En vektorkvantitet som kännetecknar graden av elektrisk polarisering av dielektrikumet, lika med gränsen för förhållandet mellan det elektriska momentet för en viss volym av dielektrikumet och denna volym när den senare tenderar mot noll.

Elektrisk konstant

En skalär kvantitet som kännetecknar det elektriska fältet i en kavitet, lika med förhållandet mellan den totala elektriska laddningen i en viss sluten yta och flödet av den elektriska fältstyrkevektorn genom denna yta i tomrummet.

Absolut dielektrisk känslighet

En skalär kvantitet som kännetecknar egenskapen hos ett dielektrikum att polariseras i en elektrisk massa, lika med förhållandet mellan storleken på polarisationen och storleken på den elektriska fältstyrkan.

Dielektrisk känslighet

Förhållandet mellan den absoluta dielektriska känsligheten vid den aktuella punkten för dielektrikumet och den elektriska konstanten.

Elektrisk förskjutning

En vektorkvantitet lika med den geometriska summan av den elektriska fältstyrkan vid den aktuella punkten multiplicerad med den elektriska konstanten och polarisationen vid samma punkt.

Absolut dielektrisk konstant

En skalär storhet som kännetecknar de elektriska egenskaperna hos ett dielektrikum och är lika med förhållandet mellan storleken på den elektriska förskjutningen och storleken på den elektriska fältspänningen.

Dielektricitetskonstanten

Förhållandet mellan den absoluta dielektricitetskonstanten vid den aktuella punkten för dielektrikumet och den elektriska konstanten.

Deplacement kraftledning

En linje vid varje punkt där tangenten till den sammanfaller med riktningen för den elektriska förskjutningsvektorn.

Elektrostatisk induktion

Fenomenet med induktion av elektriska laddningar på en ledande kropp under påverkan av ett externt elektrostatiskt fält.

Stationärt elektriskt fält

Det elektriska fältet för elektriska strömmar som inte förändras med tiden, förutsatt att de strömförande ledarna är stationära.

Potentiellt elektriskt fält

Ett elektriskt fält där rotorn för den elektriska fältstyrkevektorn överallt är lika med noll.

Eddy elektriskt fält

Ett elektriskt fält där intensitetsvektorns rotor inte alltid är lika med noll.

Skillnaden i elektriska potentialer vid två punkter

En skalär storhet som kännetecknar ett potentiellt elektriskt fält, lika med gränsen för förhållandet mellan krafterna i detta fält, när en positivt laddad punktkropp överförs från en given punkt i fältet till en annan, till laddningen av denna kropp , när kroppens laddning tenderar till noll (annars: lika med linjeintegralen av den elektriska fältstyrkan från en given punkt till en annan).

Elektrisk potential vid en given punkt

Skillnaden mellan de elektriska potentialerna för en given punkt och en annan, specificerad men godtyckligt vald punkt.

Elektrisk kapacitans för en enda ledare

En skalär storhet som kännetecknar en ledares förmåga att ackumulera elektrisk laddning, lika med förhållandet mellan ledarens laddning och dess potential, förutsatt att alla andra ledare är oändligt avlägsna och att potentialen för den oändligt avlägsna punkten antas vara noll.

Elektrisk kapacitans mellan två enkla ledare

Ett skalärt värde lika med det absoluta värdet av förhållandet mellan den elektriska laddningen på en ledare och skillnaden i elektriska potentialer för två ledare, förutsatt att dessa ledare har samma storlek men motsatt i tecken och att alla andra ledare är oändligt avlägsna.

Kondensor

Ett system med två ledare (plattor) åtskilda av ett dielektrikum utformat för att använda kapacitansen mellan de två ledarna.

Kapacitans för kondensatorn

Det absoluta värdet av förhållandet mellan den elektriska laddningen på en av kondensatorplattorna och potentialskillnaden mellan dem, förutsatt att plattorna har laddningar av samma storlek och motsatt tecken.

Kapacitans mellan två ledare i ett trådsystem (delkapacitans)

Det absoluta värdet av förhållandet mellan den elektriska laddningen för en av ledarna som ingår i ledarsystemet och potentialskillnaden mellan den och en annan ledare, om alla ledare, förutom den senare, har samma potential; om marken ingår i det betraktade systemet av ledningar, tas dess potential som noll.

Tredje parts elektriska fält

Fältet som orsakas av termiska processer, kemiska reaktioner, kontaktfenomen, mekaniska krafter och andra icke-elektromagnetiska (vid makroskopisk undersökning) processer; kännetecknas av en stark effekt på laddade partiklar och kroppar belägna i området där detta fält finns.

Inducerat elektriskt fält

Ett elektriskt fält inducerat av det tidsvarierande magnetfältet.

Elektromotorisk kraft E. d. S.

En skalär kvantitet som kännetecknar förmågan hos ett externt och inducerat elektriskt fält att inducera en elektrisk ström lika med den linjära integralen av styrkan hos de externa och inducerade elektriska fälten mellan två punkter längs den betraktade vägen eller längs den betraktade slutna kretsen.

Spänning

En skalär kvantitet lika med den linjära integralen av styrkan hos det resulterande elektriska fältet (elektrostatiskt, stationärt, externt, induktivt) mellan två punkter längs den betraktade banan.