Elektrisk felt, elektrostatisk induktion, kapacitans og kondensatorer
Elektrisk felt koncept
Elektriske feltkræfter er kendt for at virke i rummet omkring elektriske ladninger. Talrige eksperimenter på ladede kroppe bekræfter dette fuldt ud. Rummet omkring enhver ladet krop er et elektrisk felt, hvori elektriske kræfter virker.
Feltkræfternes retning kaldes elektriske feltlinjer. Derfor er det almindeligt accepteret, at et elektrisk felt er en samling af kraftlinjer.
Feltlinjerne har visse egenskaber:
-
Kraftlinjer forlader altid et positivt ladet legeme og går ind i et negativt ladet legeme;
-
de går ud i alle retninger vinkelret på overfladen af det ladede legeme og går ind i det vinkelret;
-
kraftlinjerne i to lige ladede legemer ser ud til at frastøde hinanden, og modsat ladede legemer tiltrækker.
Kraftlinjerne i det elektriske felt er altid åbne, når de knækker ved overfladen af ladede legemer.Elektrisk ladede legemer interagerer: modsat ladede tiltrækker og frastøder på samme måde.
Elektrisk ladede legemer (partikler) med ladninger q1 og q2 interagerer med hinanden med en kraft F, som er en vektorstørrelse og måles i newton (N). Legemer med modsatte ladninger tiltrækker hinanden og med lignende ladninger frastøder hinanden.
Tiltræknings- eller frastødningskraften afhænger af størrelsen af ladningerne på kroppene og af afstanden mellem dem.
Ladede legemer kaldes punkt, hvis deres lineære dimensioner er små sammenlignet med afstanden r mellem legemerne. Størrelsen af deres interaktionskraft F afhænger af størrelsen af ladningerne q1 og q2, afstanden r mellem dem og det miljø, hvori de elektriske ladninger er placeret.
Hvis der ikke er luft i rummet mellem legemerne, men et andet dielektrikum, det vil sige en ikke-leder af elektricitet, vil vekselvirkningskraften mellem legemerne falde.
Den værdi, der karakteriserer et dielektrikums egenskaber og viser, hvor mange gange vekselvirkningskraften mellem ladninger vil stige, hvis et givet dielektrikum erstattes af luft, kaldes den relative permittivitet af et givet dielektrikum.
Den dielektriske konstant er lig med: for luft og gasser — 1; for ebonit — 2 — 4; for glimmer 5 — 8; for olie 2 — 5; for papir 2 — 2,5; for paraffin — 2 — 2,6.
Det elektrostatiske felt af to ladede legemer: a — tala er ladet med samme navn, b — legemer er ladet forskelligt
Elektrostatisk induktion
Hvis et ledende legeme A med en sfærisk form, isoleret fra omgivende genstande, får en negativ elektrisk ladning, det vil sige for at skabe et overskud af elektroner i det, så vil denne ladning blive jævnt fordelt over kroppens overflade.Dette skyldes, at elektronerne, der frastøder hinanden, har tendens til at komme til kroppens overflade.
Vi placerer et uladet legeme B, også isoleret fra omgivende genstande, i feltet af legeme A. Så vil der opstå elektriske ladninger på overfladen af legeme B, og på den side, der vender mod legeme A, en ladning modsat ladningen af legeme A ( positiv ), og på den anden side - en ladning med samme navn som ladningen af kroppen A (negativ). De således fordelte elektriske ladninger forbliver på overfladen af legeme B, mens det er i feltet af legeme A. Hvis legeme B fjernes fra feltet eller legeme A fjernes, så neutraliseres den elektriske ladning på overfladen af legeme B. Denne metode til elektrificering på afstand kaldes elektrostatisk induktion eller elektrificering ved påvirkning.
Fænomenet elektrostatisk induktion
Det er indlysende, at en sådan elektrificeret tilstand af kroppen tvinges og opretholdes udelukkende af påvirkningen af kræfterne fra det elektriske felt skabt af krop A.
Hvis vi gør det samme, når krop A er positivt ladet, så vil de frie elektroner fra en persons hånd skynde sig til krop B, neutralisere dens positive ladning, og krop B vil være negativt ladet.
Jo højere elektrificeringsgrad af legeme A, dvs. jo større potentiale er, jo større potentiale kan elektrificeres ved hjælp af elektrostatisk induktionslegeme B.
Således kom vi til den konklusion, at fænomenet elektrostatisk induktion gør det muligt under visse forhold at akkumulere elektricitet på overfladen af ledende legemer.
Enhver krop kan lades til en vis grænse, det vil sige til et bestemt potentiale; en stigning i potentialet ud over grænsen får kroppen til at blive udstødt i den omgivende atmosfære. Forskellige kroppe har brug for forskellige mængder elektricitet for at bringe dem til det samme potentiale. Med andre ord indeholder forskellige kroppe forskellige mængder elektricitet, det vil sige, at de har forskellige elektriske kapaciteter (eller blot kapaciteter).
Elektrisk kapacitet er en krops evne til at indeholde en vis mængde elektricitet og samtidig øge dens potentiale til en vis værdi. Jo større overfladearealet af kroppen er, jo mere elektrisk ladning kan kroppen holde.
Hvis kroppen har form som en bold, så er dens kapacitet direkte proportional med boldens radius. Kapacitansen måles i farad.
En farada er kapaciteten af et sådant legeme, som efter at have modtaget en ladning af elektricitet i et vedhæng øger sit potentiale med en volt... 1 farad = 1.000.000 mikrofarad.
Elektrisk kapacitet, det vil sige ledende legemers egenskab til at akkumulere elektrisk ladning i sig selv, er meget udbredt i elektroteknik. Enheden er baseret på denne egenskab elektriske kondensatorer.
Kapacitans af kondensatoren
En kondensator består af to metalplader (plader), isoleret fra hinanden med et luftlag eller et andet dielektrikum (glimmer, papir osv.).
Hvis en af pladerne får en positiv ladning, og den anden er negativ, det vil sige, oplader dem modsat, så vil pladernes ladninger, der gensidigt tiltrækker, blive holdt på pladerne. Det gør, at der kan koncentreres meget mere elektricitet på pladerne, end hvis de var opladet i en afstand fra hinanden.
Derfor kan en kondensator tjene som en enhed, der lagrer en betydelig mængde elektricitet i sine plader. Med andre ord er en kondensator et lager af elektrisk energi.
Kapacitansen af kondensatoren er lig med:
C = eS / 4 pl
hvor C er kapacitansen; e er dielektrikumets dielektriske konstant; S - areal af en plade i cm2, NS - konstant tal (pi) lig med 3,14; l — afstand mellem plader i cm.
Fra denne formel kan det ses, at når pladernes areal øges, øges kondensatorens kapacitet, og når afstanden mellem dem øges, falder den.
Lad os forklare denne afhængighed. Jo større areal pladerne er, jo mere elektricitet kan de absorbere, og derfor vil kapaciteten af kondensatoren være større.
Efterhånden som afstanden mellem pladerne falder, øges den gensidige påvirkning (induktion) mellem deres ladninger, hvilket gør det muligt at koncentrere mere elektricitet på pladerne og derfor øge kondensatorens kapacitet.
Så hvis vi vil have en stor kondensator, skal vi tage plader med et stort areal og isolere dem med et tyndt dielektrisk lag.
Formlen viser også, at når dielektrikumets dielektriske konstant stiger, øges kondensatorens kapacitans.
Derfor har kondensatorer med de samme geometriske dimensioner, men som indeholder forskellige dielektrika, forskellige kapacitanser.
Hvis vi for eksempel tager en kondensator med et luftdielektrikum, hvis dielektricitetskonstant er lig med enhed, og sætter glimmer med en dielektrisk konstant på 5 mellem dens plader, så vil kondensatorens kapacitans stige med 5 gange.
Derfor bruges materialer som glimmer, papir imprægneret med paraffin osv., hvis dielektriske konstant er meget højere end luftens, som dielektrikum for at opnå en stor kapacitet.
Følgelig skelnes der mellem følgende typer kondensatorer: luft, fast dielektrisk og flydende dielektrisk.
Opladning og afladning af kondensatoren. Bias nuværende
Lad os inkludere en kondensator med konstant kapacitans i kredsløbet. Ved at sætte kontakten på kontakt a vil kondensatoren indgå i batterikredsløbet. Nålen på milliammeteret i det øjeblik, hvor kondensatoren er forbundet til kredsløbet, vil afvige og derefter blive nul.
DC kondensator
Derfor gik en elektrisk strøm gennem kredsløbet i en bestemt retning. Hvis kontakten nu er placeret på kontakt b (dvs. luk pladerne), så vil milliammeternålen afbøjes i den anden retning og vende tilbage til nul. Derfor gik der også en strøm gennem kredsløbet, men i en anden retning. Lad os analysere dette fænomen.
Da kondensatoren var tilsluttet batteriet, blev den opladet, det vil sige, at dens plader modtog en positiv og den anden negativ ladning. Fakturering fortsætter indtil kl potentiel forskel mellem kondensatorpladerne er ikke lig med batterispændingen. Et milliammeter forbundet i serie i kredsløbet angiver kondensatorens ladestrøm, som stopper umiddelbart efter, at kondensatoren er opladet.
Da kondensatoren blev afbrudt fra batteriet, forblev den opladet, og potentialforskellen mellem dens plader var lig med batterispændingen.
Men så snart kondensatoren var lukket, begyndte den at aflade, og afladningsstrømmen gik gennem kredsløbet, men allerede i retning modsat ladestrømmen. Dette fortsætter indtil potentialforskellen mellem pladerne forsvinder, det vil sige indtil kondensatoren aflades.
Derfor, hvis kondensatoren er inkluderet i DC-kredsløbet, vil strømmen kun flyde i kredsløbet på tidspunktet for opladning af kondensatoren, og i fremtiden vil der ikke være nogen strøm i kredsløbet, fordi kredsløbet vil blive brudt af dielektrikumet af kondensatoren.
Det er derfor, de siger, at «En kondensator passerer ikke jævnstrøm».
Mængden af elektricitet (Q), der kan koncentreres på kondensatorens plader, dens kapacitet (C) og værdien af den spænding, der leveres til kondensatoren (U), er relateret til følgende forhold: Q = CU.
Denne formel viser, at jo større kapacitet kondensatoren er, jo mere elektricitet kan koncentreres på den uden at øge spændingen på dens plader markant.
Forøgelse af DC-kapacitansspændingen øger også mængden af elektricitet, der lagres af kondensatoren. Men hvis der påføres en stor spænding på kondensatorens plader, så kan kondensatoren blive "brudt", det vil sige under påvirkning af denne spænding vil dielektrikumet kollapse et eller andet sted og lade strømmen passere gennem det. I dette tilfælde vil kondensatoren ophøre med at fungere. For at undgå beskadigelse af kondensatorerne angiver de værdien af den tilladte driftsspænding.
Fænomen med dielektrisk polarisering
Lad os nu analysere, hvad der sker i et dielektrikum, når en kondensator oplades og aflades, og hvorfor værdien af kapacitansen afhænger af dielektricitetskonstanten?
Svaret på dette spørgsmål giver os den elektroniske teori om stoffets struktur.
I et dielektrikum, som i enhver isolator, er der ingen frie elektroner. I dielektrikumets atomer er elektronerne tæt bundet til kernen, derfor forårsager spændingen på kondensatorens plader ikke en retningsbestemt bevægelse af elektroner i dens dielektrikum, dvs. elektrisk strøm, som i tilfældet med ledninger.
Men under påvirkning af de elektriske feltkræfter skabt af de ladede plader forskydes elektronerne, der kredser omkring atomkernen, mod den positivt ladede kondensatorplade. Samtidig strækkes atomet i retning af feltlinjerne.Denne tilstand af dielektriske atomer kaldes polariseret, og selve fænomenet kaldes dielektrisk polarisering.
Når kondensatoren aflades, brydes den polariserede tilstand af dielektrikumet, det vil sige, at forskydningen af elektronerne i forhold til kernen forårsaget af polarisationen forsvinder, og atomerne vender tilbage til deres sædvanlige upolariserede tilstand. Det blev konstateret, at tilstedeværelsen af dielektrikum svækker feltet mellem kondensatorens plader.
Forskellige dielektrika under påvirkning af det samme elektriske felt polariseres i forskellig grad. Jo lettere dielektrikumet polariseres, jo mere svækker det feltet. Polarisering af luft resulterer for eksempel i mindre feltsvækkelse end polarisering af noget andet dielektrikum.
Men svækkelsen af feltet mellem kondensatorens plader giver dig mulighed for at koncentrere dig om dem en større mængde elektricitet Q ved samme spænding U, hvilket igen fører til en stigning i kondensatorens kapacitet, da C = Q / U .
Så vi kom til konklusionen - jo større dielektrikumets dielektriske konstant, desto større er kapaciteten af kondensatoren, der indeholder dette dielektrikum i dets sammensætning.
Forskydningen af elektroner i dielektrikumets atomer, som forekommer, som vi allerede har sagt, under påvirkning af det elektriske felts kræfter, dannes i dielektrikumet, i det første øjeblik af feltets virkning, en elektrisk strøm Kaldes en afbøjningsstrøm... Den hedder sådan, fordi i modsætning til ledningsstrømmen i metalliske ledninger, genereres forskydningsstrømmen kun ved forskydning af elektroner, der bevæger sig i deres atomer.
Tilstedeværelsen af denne forspændingsstrøm får kondensatoren, der er forbundet til AC-kilden, til at blive dens leder.
Se også om dette emne: Elektrisk og magnetisk felt: Hvad er forskellene?
De vigtigste egenskaber ved det elektriske felt og mediets vigtigste elektriske egenskaber (grundlæggende udtryk og definitioner)
Elektrisk feltstyrke
En vektorstørrelse, der karakteriserer kraftpåvirkningen af et elektrisk felt på elektrisk ladede legemer og partikler, lig med grænsen for forholdet mellem kraften, hvormed det elektriske felt virker på et stationært punktladet legeme indført ved det betragtede punkt i feltet til ladningen af dette legeme, når denne ladning tenderer mod nul, og hvis retning antages at falde sammen med retningen af kraften, der virker på et positivt ladet punktlegeme.
En elektrisk feltlinje
En linje på ethvert punkt, hvis tangent til den falder sammen med retningen af vektoren for elektrisk feltstyrke.
Elektrisk polarisering
Stoffets tilstand karakteriseret ved, at det elektriske moment af et givet volumen af det pågældende stof har en anden værdi end nul.
Elektrisk ledningsevne
Et stofs egenskab til at lede, under påvirkning af et elektrisk felt, der ikke ændrer sig over tid, en elektrisk strøm, der ikke ændrer sig med tiden.
Dielektrisk
Et stof, hvis vigtigste elektriske egenskab er evnen til at polarisere i et elektrisk felt, og hvor langtidseksistensen af et elektrostatisk felt er mulig.
Et ledende stof
Et stof, hvis vigtigste elektriske egenskab er elektrisk ledningsevne.
Direktør
Ledende krop.
Halvlederstof (halvleder)
Et stof, hvis elektriske ledningsevne ligger mellem et ledende stof og et dielektrikum, og hvis karakteristiske egenskaber er: en udtalt afhængighed af elektrisk ledningsevne af temperatur; ændring i elektrisk ledningsevne, når den udsættes for et elektrisk felt, lys og andre eksterne faktorer; betydelig afhængighed af dens elektriske ledningsevne af mængden og arten af de indførte urenheder, hvilket gør det muligt at forstærke og korrigere den elektriske strøm, samt at omdanne nogle typer energi til elektricitet.
Polarisering (polarisationsintensitet)
En vektorstørrelse, der karakteriserer graden af elektrisk polarisering af dielektrikumet, lig med grænsen for forholdet mellem det elektriske moment af et bestemt volumen af dielektrikumet og dette volumen, når sidstnævnte har en tendens til nul.
Elektrisk konstant
En skalær størrelse, der karakteriserer det elektriske felt i et hulrum, svarende til forholdet mellem den samlede elektriske ladning indeholdt i en bestemt lukket overflade og strømmen af den elektriske feltstyrkevektoren gennem denne overflade i hulrummet.
Absolut dielektrisk følsomhed
En skalær størrelse, der karakteriserer egenskaben af et dielektrikum til at blive polariseret i en elektrisk masse, svarende til forholdet mellem størrelsen af polarisationen og størrelsen af den elektriske feltstyrke.
Dielektrisk følsomhed
Forholdet mellem den absolutte dielektriske følsomhed ved det betragtede punkt af dielektrikumet og den elektriske konstant.
Elektrisk forskydning
En vektormængde lig med den geometriske sum af den elektriske feltstyrke på det pågældende punkt ganget med den elektriske konstant og polariseringen i samme punkt.
Absolut dielektrisk konstant
En skalær størrelse, der karakteriserer de elektriske egenskaber af et dielektrikum og er lig med forholdet mellem størrelsen af den elektriske forskydning og størrelsen af den elektriske feltspænding.
Den dielektriske konstant
Forholdet mellem den absolutte dielektriske konstant ved det betragtede punkt af dielektrikumet og den elektriske konstant.
Forskydningskraftledning
En linje i hvert punkt, hvor tangenten til den falder sammen med retningen af den elektriske forskydningsvektor.
Elektrostatisk induktion
Fænomenet induktion af elektriske ladninger på et ledende legeme under påvirkning af et eksternt elektrostatisk felt.
Stationært elektrisk felt
Det elektriske felt af elektriske strømme, der ikke ændrer sig over tid, forudsat at de strømførende ledere er stationære.
Potentielt elektrisk felt
Et elektrisk felt, hvor rotoren af den elektriske feltstyrkevektor overalt er lig nul.
Eddy elektrisk felt
Et elektrisk felt, hvor intensitetsvektorens rotor ikke altid er lig nul.
Forskellen i elektriske potentialer på to punkter
En skalær størrelse, der kendetegner et potentielt elektrisk felt, lig med grænsen for forholdet mellem kræfternes arbejde i dette felt, når et positivt ladet punktlegeme overføres fra et givet punkt i feltet til et andet, til dette legemes ladning , når kroppens ladning har en tendens til nul (ellers: lig med linjeintegralet af den elektriske feltstyrke fra et givet punkt til et andet).
Elektrisk potentiale på et givet punkt
Forskellen mellem de elektriske potentialer af et givet punkt og et andet, specificeret, men vilkårligt valgt punkt.
Elektrisk kapacitans af en enkelt leder
En skalær størrelse, der karakteriserer en leders evne til at akkumulere elektrisk ladning, svarende til forholdet mellem lederens ladning og dens potentiale, idet det antages, at alle andre ledere er uendeligt fjerne, og at potentialet for det uendeligt fjerne punkt antages at være nul.
Elektrisk kapacitans mellem to enkeltledere
En skalarværdi lig med den absolutte værdi af forholdet mellem den elektriske ladning på en leder og forskellen i elektriske potentialer af to ledere, forudsat at disse ledere har samme størrelse, men modsat fortegn, og at alle andre ledere er uendeligt fjerne.
Kondensator
Et system af to ledere (plader) adskilt af et dielektrikum designet til at bruge kapacitansen mellem de to ledere.
Kapacitans af kondensatoren
Den absolutte værdi af forholdet mellem den elektriske ladning på en af kondensatorpladerne og potentialforskellen mellem dem, forudsat at pladerne har ladninger af samme størrelse og modsat fortegn.
Kapacitans mellem to ledere i et ledningssystem (delkapacitans)
Den absolutte værdi af forholdet mellem den elektriske ladning af en af lederne inkluderet i ledersystemet og potentialforskellen mellem den og en anden leder, hvis alle ledere, bortset fra sidstnævnte, har samme potentiale; hvis jorden er inkluderet i det betragtede system af ledninger, tages dets potentiale som nul.
Tredjeparts elektriske felt
Feltet forårsaget af termiske processer, kemiske reaktioner, kontaktfænomener, mekaniske kræfter og andre ikke-elektromagnetiske (i makroskopisk undersøgelse) processer; kendetegnet ved en stærk effekt på ladede partikler og legemer placeret i det område, hvor dette felt eksisterer.
Induceret elektrisk felt
Et elektrisk felt induceret af det tidsvarierende magnetfelt.
Elektromotorisk kraft E. d. S.
En skalær størrelse, der karakteriserer et eksternt og induceret elektrisk felts evne til at inducere en elektrisk strøm svarende til det lineære integral af styrken af de eksterne og inducerede elektriske felter mellem to punkter langs den betragtede vej eller langs det betragtede lukkede kredsløb.
Spænding
En skalær størrelse svarende til det lineære integral af styrken af det resulterende elektriske felt (elektrostatisk, stationært, eksternt, induktivt) mellem to punkter langs den betragtede vej.