Електрическо поле, електростатична индукция, капацитет и кондензатори

Концепция за електрическо поле

Известно е, че силите на електрическото поле действат в пространството около електрическите заряди. Многобройни експерименти върху заредени тела напълно потвърждават това. Пространството около всяко заредено тяло е електрическо поле, в което действат електрически сили.

Посоката на силите на полето се нарича силови линии на електрическото поле. Следователно, общоприето е, че електрическо поле е съвкупност от силови линии.

Силовите линии на полето имат определени свойства:

• силовите линии винаги напускат положително заредено тяло и влизат в тяло с отрицателно зареждане;

• те излизат във всички посоки, перпендикулярни на повърхността на зареденото тяло и влизат в него перпендикулярно;

• силовите линии на две еднакво заредени тела сякаш се отблъскват едно от друго, а противоположно заредените тела се привличат.

Силовите линии на електрическото поле са винаги отворени, тъй като се разкъсват на повърхността на заредени тела. Електрически заредените тела си взаимодействат: противоположно заредените се привличат и подобно на отблъснатите.

Електрически заредени тела (частици) с заряди q1 и q2 взаимодействат помежду си със сила F, която е векторна величина и се измерва в нютони (N). С противоположни заряди телата се привличат едно към друго и с подобни заряди се отблъскват.

Силата на привличане или отблъскване зависи от големината на зарядите на телата и от разстоянието между тях.

Заредените тела се наричат ​​точкови, ако линейните им размери са малки в сравнение с разстоянието r между телата. Величината на силата на тяхното взаимодействие F зависи от големината на зарядите q1 и q2, разстоянието r между тях и средата, в която се намират електрическите заряди.

Ако в пространството между телата няма въздух, а някакъв друг диелектрик, тоест непроводник на електричество, тогава силата на взаимодействие между телата ще намалее.

Стойността, характеризираща свойствата на диелектрик и показваща колко пъти силата на взаимодействие между зарядите ще се увеличи, ако даден диелектрик бъде заменен с въздух, се нарича относителна проницаемост на даден диелектрик.

Диелектричната константа е равна на: за въздух и газове — 1; за ебонит — 2 — 4; за слюда 5 — 8; за масло 2 — 5; за хартия 2 — 2.5; за парафин — 2 — 2.6.

Електростатичното поле на две заредени тела: a — tala се зареждат със същото име, b — телата се зареждат по различен начин

Електростатична индукция

Ако на проводящо тяло А със сферична форма, изолирано от околните обекти, е даден отрицателен електрически заряд, тоест за създаване на излишък от електрони в него, тогава този заряд ще бъде равномерно разпределен по повърхността на тялото. Това е така, защото електроните, изтласквайки се един друг, са склонни да излизат на повърхността на тялото.

Поставяме ненатоварено тяло В, също изолирано от околните предмети, в полето на тяло А. Тогава електрическите заряди ще се появят на повърхността на тялото В, а от страната, обърната към тялото А, се образува заряд, противоположен на заряда на тялото А (положителен), а от другата страна — заряд със същото име като заряда на тялото А (отрицателен). Електрическите заряди, разпределени по този начин, остават на повърхността на тялото B, докато то е в полето на тялото A. Ако тялото B се отстрани от полето или тялото A се отстрани, тогава електрическият заряд на повърхността на тялото В се неутрализира. Този метод за електрифициране на разстояние се нарича електростатична индукция или електрификация чрез влияние.

Явлението електростатична индукция

Очевидно е, че такова електрифицирано състояние на тялото е принудително и се поддържа изключително от действието на силите на електрическото поле, създадено от тяло А.

Ако направим същото, когато тялото А е положително заредено, тогава свободните електрони от ръката на човек ще се втурнат към тялото В, ще неутрализират положителния му заряд и тялото В ще бъде отрицателно заредено.

Колкото по -висока е степента на наелектризиране на тялото А, т.е.колкото по -голям е неговият потенциал, толкова по -голям потенциал може да бъде електрифициран посредством електростатично индукционно тяло В.

Така стигнахме до заключението, че явлението електростатична индукция дава възможност при определени условия да се натрупва електричество на повърхността на проводящи тела.

Всяко тяло може да бъде заредено до определена граница, тоест до определен потенциал; увеличаването на потенциала отвъд границата води до изхвърляне на тялото в околната атмосфера. Различните тела се нуждаят от различни количества електричество, за да ги доведат до един и същ потенциал. С други думи, различните тела съдържат различни количества електричество, тоест имат различен електрически капацитет (или просто капацитет).

Електрическият капацитет е способността на тялото да съдържа определено количество електричество, като същевременно увеличава потенциала си до определена стойност. Колкото по -голяма е повърхността на тялото, толкова повече електрически заряд може да побере това тяло.

Ако тялото има формата на топка, тогава нейният капацитет е правопропорционален на радиуса на топката. Капацитетът се измерва с фаради.

Фарада е капацитетът на такова тяло, което, след като получи заряд от електричество в една висулка, увеличава потенциала си с един волт… 1 фарад = 1 000 000 микрофарада.

Електрически капацитет, тоест свойството на проводящите тела да натрупват електрически заряд в себе си, се използва широко в електротехниката. Устройството се основава на това свойство електрически кондензатори.

Капацитет на кондензатора

Кондензаторът се състои от две метални пластини (плочи), изолирани една от друга с въздушен слой или друг диелектрик (слюда, хартия и др.).

Ако на една от плочите е даден положителен заряд, а другата е отрицателна, тоест заредете ги противоположно, тогава зарядите на плочите, взаимно привличащи се, ще се държат върху плочите. Това позволява много повече електричество да се концентрира върху плочите, отколкото ако те се зареждат на разстояние една от друга.

Следователно, кондензатор може да служи като устройство, което съхранява значително количество електроенергия в своите плочи. С други думи, кондензатор е съхранение на електрическа енергия.

Капацитетът на кондензатора е равен на:

C = eS / 4pl

където C е капацитетът; e е диелектричната константа на диелектрика; S — площ на една плоча в cm2, NS — постоянно число (pi), равно на 3,14; л — разстояние между плочите в cm.

От тази формула може да се види, че с увеличаване на площта на плочите капацитетът на кондензатора се увеличава, а с увеличаване на разстоянието между тях намалява.

Нека обясним тази зависимост. Колкото по -голяма е площта на плочите, толкова повече електроенергия те могат да поемат и следователно капацитетът на кондензатора ще бъде по -голям.

С намаляване на разстоянието между пластините, взаимното влияние (индукция) между техните заряди се увеличава, което прави възможно да се концентрира повече електроенергия върху плочите и следователно да се увеличи капацитетът на кондензатора.

По този начин, ако искаме да получим голям кондензатор, трябва да вземем плочи с голяма площ и да ги изолираме с тънък диелектричен слой.

Формулата също така показва, че с увеличаване на диелектричната константа на диелектрика, капацитетът на кондензатора се увеличава.

Следователно кондензаторите с еднакви геометрични размери, но съдържащи различни диелектрици, имат различен капацитет.

Ако например вземем кондензатор с въздушен диелектрик, чиято диелектрична константа е равна на единица, и поставим слюда с диелектрична константа 5 между неговите плочи, тогава капацитетът на кондензатора ще се увеличи с 5 пъти.

Ето защо за получаване на голям капацитет като диелектрици се използват материали като слюда, хартия, импрегнирана с парафин и др., Чиято диелектрична константа е много по -висока от тази на въздуха.

В съответствие с това се разграничават следните видове кондензатори: въздушен, твърд диелектрик и течен диелектрик.

Зареждане и разреждане на кондензатора. Ток на отклонение

Нека включим кондензатор с постоянен капацитет във веригата. Чрез поставяне на превключвателя на контакт а, кондензаторът ще бъде включен във веригата на батерията. Стрелката на милиамперметъра в момента, когато кондензаторът е свързан към веригата, ще се отклони и след това ще стане нула.

DC кондензатор

Следователно, електрически ток премина през веригата в определена посока. Ако сега превключвателят е поставен на контакт b (т.е. затворете плочите), тогава иглата на милиамперметъра ще се отклони в другата посока и ще се върне към нула. Следователно ток също премина през веригата, но в различна посока. Нека анализираме това явление.

Когато кондензаторът беше свързан към батерията, той беше зареден, тоест плочите му получиха един положителен, а другият отрицателен заряд. Таксуването продължава до потенциална разлика между плочите на кондензатора не е равно на напрежението на акумулатора. Милиамметър, свързан последователно във веригата, показва тока на зареждане на кондензатора, който спира веднага след зареждането на кондензатора.

Когато кондензаторът беше изключен от батерията, той оставаше зареден, а потенциалната разлика между неговите плочи беше равна на напрежението на батерията.

Въпреки това, веднага щом кондензаторът беше затворен, той започна да се разрежда и разрядният ток премина през веригата, но вече в посоката, противоположна на тока на заряда. Това продължава, докато потенциалната разлика между плочите изчезне, тоест докато кондензаторът не се разреди.

Следователно, ако кондензаторът е включен в DC веригата, токът ще тече във веригата само в момента на зареждане на кондензатора и в бъдеще няма да има ток във веригата, тъй като веригата ще бъде прекъсната от диелектрик на кондензатора.

Затова казват, че «Кондензаторът не пропуска постоянен ток.»

Количеството електричество (Q), което може да се концентрира върху пластините на кондензатора, неговият капацитет (C) и стойността на напрежението, подадено към кондензатора (U), са свързани със следната връзка: Q = CU.

Тази формула показва, че колкото по -голям е капацитетът на кондензатора, толкова повече електричество може да се концентрира върху него, без да се увеличава значително напрежението върху неговите плочи.

Увеличаването на напрежението с постоянен капацитет също води до увеличаване на количеството електричество, съхранявано от кондензатора. Ако обаче се приложи голямо напрежение към плочите на кондензатора, тогава кондензаторът може да бъде „счупен“, тоест под действието на това напрежение диелектрикът ще се срути на някакво място и ще пропусне тока през себе си. В този случай кондензаторът ще престане да функционира. За да се избегне повреда на кондензаторите, те показват стойността на допустимото работно напрежение.

Явление на диелектрична поляризация

Нека сега анализираме какво се случва в диелектрик, когато кондензатор се зарежда и разрежда и защо стойността на капацитета зависи от диелектричната константа?

Отговорът на този въпрос ни дава електронната теория за структурата на материята.

В диелектрика, както във всеки изолатор, няма свободни електрони. В атомите на диелектрика електроните са здраво свързани с ядрото, поради което напрежението, приложено към пластините на кондензатора, не предизвиква насочено движение на електрони в неговия диелектрик, т.е. електрически ток, както е в случая проводници.

Въпреки това, под действието на силите на електрическото поле, създадено от заредените плочи, електроните, въртящи се около атомното ядро, се изместват към положително заредената кондензаторна плоча. В същото време атомът се разтяга по посока на силовите линии на полето.Това състояние на диелектрични атоми се нарича поляризирано, а самото явление се нарича диелектрична поляризация.

При разреждане на кондензатора поляризираното състояние на диелектрика се нарушава, тоест изместването на електроните спрямо ядрото, причинено от поляризацията, изчезва и атомите стигат до обичайното си неполяризирано състояние. Установено е, че наличието на диелектрик отслабва полето между плочите на кондензатора.

Различни диелектрици под действието на едно и също електрическо поле се поляризират в различна степен. Колкото по -лесно е поляризиран диелектрикът, толкова повече той отслабва полето. Поляризацията на въздуха например води до по -малко отслабване на полето от поляризацията на всеки друг диелектрик.

Но отслабването на полето между плочите на кондензатора ви позволява да концентрирате върху тях по -голямо количество електричество Q при същото напрежение U, което от своя страна води до увеличаване на капацитета на кондензатора, тъй като C = Q / U .

Така стигнахме до заключението — колкото по -голяма е диелектричната константа на диелектрика, толкова по -голям е капацитетът на кондензатора, който съдържа този диелектрик в състава си.

Изместването на електрони в атомите на диелектрика, което се случва, както вече казахме, под действието на силите на електрическото поле, се образува в диелектрика, в първия момент от действието на полето, електрически ток , Наречен отклонение ток… Така той е кръстен, защото за разлика от тока на проводимост в металните проводници, изместващият ток се генерира само от изместването на електрони, движещи се в техните атоми.

Наличието на този ток на отклонение кара кондензатора, свързан към източника на променлив ток, да стане негов проводник.

Вижте също по тази тема: Електрическо и магнитно поле: какви са разликите