Câmp electric, inducție electrostatică, capacitate și condensatoare

Conceptul de câmp electric

Se știe că forțele câmpului electric acționează în spațiul din jurul sarcinilor electrice. Numeroase experimente pe corpuri încărcate confirmă pe deplin acest lucru. Spațiul din jurul oricărui corp încărcat este un câmp electric în care acționează forțele electrice.

Direcția forțelor câmpului se numește linii de câmp electric. Prin urmare, este general acceptat că un câmp electric este o colecție de linii de forță.

Liniile de câmp au anumite proprietăți:

• liniile de forță părăsesc întotdeauna un corp încărcat pozitiv și intră într-un corp încărcat negativ;

• ies în toate direcțiile perpendicular pe suprafața corpului încărcat și intră în el perpendicular;

• liniile de forță a două corpuri încărcate egal par să se respingă, iar corpurile încărcate opus se atrag.

Liniile de forță ale câmpului electric sunt întotdeauna deschise, deoarece se sparg la suprafața corpurilor încărcate.Corpurile încărcate electric interacționează: cu încărcare opusă atrag și resping în mod similar.

Corpurile (particule) încărcate electric cu sarcini q1 și q2 interacționează între ele cu o forță F, care este o mărime vectorială și se măsoară în newtoni (N). Corpurile cu sarcini opuse se atrag și cu sarcini similare se resping.

Forța de atracție sau de respingere depinde de mărimea sarcinilor de pe corpuri și de distanța dintre ele.

Corpurile încărcate se numesc punct dacă dimensiunile lor liniare sunt mici în comparație cu distanța r dintre corpuri. Mărimea forței lor de interacțiune F depinde de mărimea sarcinilor q1 și q2, de distanța r dintre ele și de mediul în care se află sarcinile electrice.

Dacă în spațiul dintre corpuri nu există aer, ci un alt dielectric, adică un neconductor de electricitate, atunci forța de interacțiune dintre corpuri va scădea.

Valoarea care caracterizează proprietățile unui dielectric și care arată de câte ori va crește forța de interacțiune între sarcini dacă un anumit dielectric este înlocuit cu aer se numește permisivitatea relativă a unui anumit dielectric.

Constanta dielectrică este egală cu: pentru aer și gaze — 1; pentru ebonită — 2 — 4; pentru mica 5 — 8; pentru ulei 2 — 5; pentru hârtia 2 — 2,5; pentru parafină — 2 — 2.6.

Câmpul electrostatic al două corpuri încărcate: a — tala sunt încărcate cu același nume, b — corpurile sunt încărcate diferit

Inducția electrostatică

Dacă unui corp conductor A cu formă sferică, izolat de obiectele din jur, i se dă o sarcină electrică negativă, adică pentru a crea un exces de electroni în el, atunci această sarcină va fi distribuită uniform pe suprafața corpului.Acest lucru se datorează faptului că electronii, respingându-se unul pe altul, tind să iasă la suprafața corpului.

Așezăm un corp neîncărcat B, izolat de asemenea de obiectele din jur, în câmpul corpului A. Apoi pe suprafața corpului B vor apărea sarcini electrice, iar pe partea îndreptată spre corpul A, o sarcină opusă sarcinii corpului A ( pozitiv ), iar pe de altă parte - o sarcină cu același nume ca sarcina corpului A (negativ). Sarcinile electrice astfel distribuite rămân pe suprafața corpului B în timp ce acesta se află în câmpul corpului A. Dacă corpul B este îndepărtat din câmp sau corpul A este îndepărtat, atunci sarcina electrică de pe suprafața corpului B este neutralizată. Această metodă de electrificare la distanță se numește inducție electrostatică sau electrificare prin influență.

Fenomenul inducției electrostatice

Este evident că o astfel de stare electrificată a corpului este forțată și menținută exclusiv de acțiunea forțelor câmpului electric creat de corpul A.

Dacă facem același lucru atunci când corpul A este încărcat pozitiv, atunci electronii liberi din mâna unei persoane se vor repezi către corpul B, vor neutraliza sarcina pozitivă a acestuia, iar corpul B va fi încărcat negativ.

Cu cât este mai mare gradul de electrificare a corpului A, adică cu cât potențialul său este mai mare, cu atât potențialul mai mare poate fi electrificat prin intermediul corpului de inducție electrostatică B.

Astfel am ajuns la concluzia că fenomenul de inducție electrostatică face posibilă în anumite condiții acumularea electricitate pe suprafata corpurilor conductoare.

Orice corp poate fi încărcat la o anumită limită, adică la un anumit potențial; o creștere a potențialului dincolo de limită face ca corpul să fie ejectat în atmosfera înconjurătoare. Corpuri diferite au nevoie de cantități diferite de electricitate pentru a le aduce la același potențial. Cu alte cuvinte, corpurile diferite conțin cantități diferite de electricitate, adică au capacități electrice (sau pur și simplu capacități) diferite.

Capacitatea electrică este capacitatea unui corp de a conține o anumită cantitate de electricitate în timp ce își crește potențialul la o anumită valoare. Cu cât suprafața corpului este mai mare, cu atât mai multă sarcină electrică poate păstra acel corp.

Dacă corpul are forma unei bile, atunci capacitatea sa este direct proporțională cu raza bilei. Capacitatea se măsoară în faradi.

O farada este capacitatea unui astfel de corp care, dupa ce a primit o sarcina de electricitate intr-un pandantiv, isi mareste potentialul cu un volt... 1 farad = 1.000.000 de microfarad.

Capacitatea electrică, adică proprietatea corpurilor conductoare de a acumula sarcină electrică în sine, este utilizată pe scară largă în inginerie electrică. Dispozitivul se bazează pe această proprietate condensatoare electrice.

Capacitatea condensatorului

Un condensator este format din două plăci (plăci) metalice, izolate una de cealaltă cu un strat de aer sau alt dielectric (mică, hârtie etc.).

Dacă una dintre plăci primește o sarcină pozitivă, iar cealaltă este negativă, adică încărcați-le invers, atunci sarcinile plăcilor, care se atrag reciproc, vor fi menținute pe plăci. Acest lucru permite concentrarea mult mai multă energie electrică pe plăci decât dacă ar fi încărcate la distanță unele de altele.

Prin urmare, un condensator poate servi ca dispozitiv care stochează o cantitate semnificativă de electricitate în plăcile sale. Cu alte cuvinte, un condensator este o stocare de energie electrică.

Capacitatea condensatorului este egală cu:

C = eS / 4pl

unde C este capacitatea; e este constanta dielectrică a dielectricului; S - aria unei plăci în cm2, NS - număr constant (pi) egal cu 3,14; l — distanța dintre plăci în cm.

Din această formulă, se poate observa că, pe măsură ce aria plăcilor crește, capacitatea condensatorului crește, iar pe măsură ce distanța dintre ele crește, aceasta scade.

Să explicăm această dependență. Cu cât suprafața plăcilor este mai mare, cu atât pot absorbi mai multă energie electrică și, prin urmare, capacitatea condensatorului va fi mai mare.

Pe măsură ce distanța dintre plăci scade, influența reciprocă (inducția) dintre sarcinile lor crește, ceea ce face posibilă concentrarea mai multă energie electrică pe plăci și, prin urmare, creșterea capacității condensatorului.

Astfel, dacă dorim să obținem un condensator mare, trebuie să luăm plăci cu o suprafață mare și să le izolăm cu un strat dielectric subțire.

Formula arată, de asemenea, că pe măsură ce constanta dielectrică a dielectricului crește, capacitatea condensatorului crește.

Prin urmare, condensatoarele cu aceleași dimensiuni geometrice, dar care conțin dielectrici diferiți, au capacități diferite.

Dacă, de exemplu, luăm un condensator cu un dielectric de aer a cărui constantă dielectrică este egală cu unitatea și punem între plăcile sale mica cu o constantă dielectrică de 5, atunci capacitatea condensatorului va crește de 5 ori.

Prin urmare, materiale precum mica, hârtia impregnată cu parafină etc., a căror constantă dielectrică este mult mai mare decât cea a aerului, sunt folosite ca dielectrici pentru a obține o capacitate mare.

În consecință, se disting următoarele tipuri de condensatoare: aer, dielectric solid și dielectric lichid.

Încărcarea și descărcarea condensatorului. Curent de polarizare

Să includem un condensator de capacitate constantă în circuit. Prin plasarea comutatorului pe contactul a, condensatorul va fi inclus în circuitul bateriei. Acul miliametrului în momentul în care condensatorul este conectat la circuit se va abate și apoi va deveni zero.

condensator DC

Prin urmare, un curent electric a trecut printr-un circuit într-o anumită direcție. Dacă comutatorul este acum plasat pe contactul b (adică, închideți plăcile), atunci acul miliampermetrului se va devia în cealaltă direcție și va reveni la zero. Prin urmare, prin circuit a trecut și un curent, dar într-o direcție diferită. Să analizăm acest fenomen.

Când condensatorul a fost conectat la baterie, acesta a fost încărcat, adică plăcile sale au primit o sarcină pozitivă și cealaltă negativă. Facturarea continuă până la diferenta potentiala între plăcile condensatorului nu este egală cu tensiunea bateriei. Un miliampermetru conectat în serie în circuit indică curentul de încărcare al condensatorului, care se oprește imediat după ce condensatorul este încărcat.

Când condensatorul a fost deconectat de la baterie, acesta a rămas încărcat, iar diferența de potențial dintre plăcile sale a fost egală cu tensiunea bateriei.

Cu toate acestea, de îndată ce condensatorul a fost închis, acesta a început să se descarce și curentul de descărcare a trecut prin circuit, dar deja în direcția opusă curentului de încărcare. Aceasta continuă până când diferența de potențial dintre plăci dispare, adică până când condensatorul se descarcă.

Prin urmare, dacă condensatorul este inclus în circuitul de curent continuu, curentul va curge în circuit numai în momentul încărcării condensatorului, iar în viitor nu va mai exista curent în circuit, deoarece circuitul va fi rupt de dielectric. a condensatorului.

De aceea se spune că „Un condensator nu trece curent continuu”.

Cantitatea de energie electrică (Q) care poate fi concentrată pe plăcile condensatorului, capacitatea acestuia (C) și valoarea tensiunii furnizate condensatorului (U) sunt legate de următoarea relație: Q = CU.

Această formulă arată că, cu cât capacitatea condensatorului este mai mare, cu atât mai multă energie electrică poate fi concentrată asupra acestuia fără a crește semnificativ tensiunea de pe plăcile sale.

Creșterea tensiunii de capacitate DC crește, de asemenea, cantitatea de energie electrică stocată de condensator. Cu toate acestea, dacă pe plăcile condensatorului se aplică o tensiune mare, atunci condensatorul poate fi „rupt”, adică sub acțiunea acestei tensiuni, dielectricul se va prăbuși într-un loc și va lăsa curentul să treacă prin el. În acest caz, condensatorul va înceta să mai funcționeze. Pentru a evita deteriorarea condensatorilor, acestea indică valoarea tensiunii de funcționare admisibile.

Fenomen de polarizare dielectrică

Să analizăm acum ce se întâmplă într-un dielectric atunci când un condensator este încărcat și descărcat și de ce valoarea capacității depinde de constanta dielectrică?

Răspunsul la această întrebare ne oferă teoria electronică a structurii materiei.

Într-un dielectric, ca în orice izolator, nu există electroni liberi. În atomii dielectricului, electronii sunt legați strâns de miez, prin urmare tensiunea aplicată plăcilor condensatorului nu provoacă o mișcare direcțională a electronilor în dielectricul său, adică. curent electric, ca în cazul firelor.

Cu toate acestea, sub acțiunea forțelor câmpului electric create de plăcile încărcate, electronii care se rotesc în jurul nucleului atomic sunt deplasați către placa condensatorului încărcată pozitiv. În același timp, atomul este întins în direcția liniilor de câmp.Această stare a atomilor dielectrici se numește polarizat, iar fenomenul în sine se numește polarizare dielectrică.

Când condensatorul este descărcat, starea polarizată a dielectricului este ruptă, adică deplasarea electronilor față de nucleu cauzată de polarizare dispare și atomii revin la starea lor obișnuită nepolarizată. S-a constatat că prezența dielectricului slăbește câmpul dintre plăcile condensatorului.

Dielectrici dielectrici sub acțiunea aceluiași câmp electric se polarizează în grade diferite. Cu cât dielectricul este polarizat mai ușor, cu atât mai mult slăbește câmpul. Polarizarea aerului, de exemplu, are ca rezultat o slăbire mai mică a câmpului decât polarizarea oricărui alt dielectric.

Dar slăbirea câmpului dintre plăcile condensatorului vă permite să vă concentrați asupra lor o cantitate mai mare de energie electrică Q la aceeași tensiune U, ceea ce duce, la rândul său, la o creștere a capacității condensatorului, deoarece C = Q / U .

Așa că am ajuns la concluzia - cu cât constanta dielectrică a dielectricului este mai mare, cu atât capacitatea condensatorului care conține acest dielectric în compoziția sa este mai mare.

Deplasarea electronilor în atomii dielectricului, care are loc, așa cum am spus deja, sub acțiunea forțelor câmpului electric, se formează în dielectric, în primul moment al acțiunii câmpului, un electric. Denumit curent de deviație... Este numit așa deoarece, spre deosebire de curentul de conducere din firele metalice, curentul de deplasare este generat doar de deplasarea electronilor care se mișcă în atomii lor.

Prezența acestui curent de polarizare face ca condensatorul conectat la sursa de curent alternativ să devină conductorul acestuia.

Vezi și pe acest subiect: Câmp electric și magnetic: care sunt diferențele?

Principalele caracteristici ale câmpului electric și principalele caracteristici electrice ale mediului (termeni și definiții de bază)

Intensitatea câmpului electric

O mărime vectorială care caracterizează acțiunea forței a unui câmp electric asupra corpurilor și particulelor încărcate electric, egală cu limita raportului dintre forța cu care acționează câmpul electric asupra unui corp încărcat punctual staționar introdus în punctul considerat al câmpului la sarcina acestui corp atunci când această sarcină tinde spre zero și a cărui direcție se presupune că coincide cu direcția forței care acționează asupra unui corp punctual încărcat pozitiv.

O linie de câmp electric

O linie în orice punct a cărei tangentă coincide cu direcția vectorului intensității câmpului electric.

Polarizare electrică

Starea materiei caracterizată prin faptul că momentul electric al unui volum dat al acelei substanțe are o valoare diferită de zero.

Conductivitate electrică

Proprietatea unei substanțe de a conduce, sub influența unui câmp electric care nu se modifică în timp, un curent electric care nu se modifică în timp.

Dielectric

O substanță a cărei proprietate electrică principală este capacitatea de a polariza într-un câmp electric și în care existența pe termen lung a unui câmp electrostatic este posibilă.

O substanță conducătoare

O substanță a cărei proprietate electrică principală este conductivitatea electrică.

Director

Corp conductiv.

Substanță semiconductoare (semiconductor)

O substanță a cărei conductivitate electrică este intermediară între o substanță conductoare și un dielectric și ale cărei proprietăți distinctive sunt: ​​o dependență pronunțată a conductibilității electrice de temperatură; modificarea conductibilității electrice atunci când este expus la un câmp electric, lumină și alți factori externi; dependența semnificativă a conductivității sale electrice de cantitatea și natura impurităților introduse, ceea ce face posibilă amplificarea și corectarea curentului electric, precum și transformarea unor tipuri de energie în electricitate.

Polarizare (intensitatea polarizării)

O mărime vectorială care caracterizează gradul de polarizare electrică a dielectricului, egală cu limita raportului dintre momentul electric al unui anumit volum al dielectricului și acest volum atunci când acesta din urmă tinde spre zero.

Constanta electrica

O mărime scalară care caracterizează câmpul electric dintr-o cavitate, egală cu raportul dintre sarcina electrică totală conținută într-o anumită suprafață închisă și fluxul vectorului intensității câmpului electric prin această suprafață în gol.

Susceptibilitate dielectrică absolută

O mărime scalară care caracterizează proprietatea unui dielectric de a fi polarizat într-o masă electrică, egală cu raportul dintre mărimea polarizării și mărimea intensității câmpului electric.

Sensibilitate dielectrică

Raportul dintre susceptibilitatea dielectrică absolută în punctul considerat al dielectricului și constanta electrică.

Deplasare electrică

O mărime vectorială egală cu suma geometrică a intensității câmpului electric în punctul luat în considerare înmulțită cu constanta electrică și polarizarea în același punct.

Constanta dielectrica absoluta

O mărime scalară care caracterizează proprietățile electrice ale unui dielectric și egală cu raportul dintre mărimea deplasării electrice și mărimea tensiunii câmpului electric.

Constanta dielectrică

Raportul dintre constanta dielectrică absolută în punctul considerat al dielectricului și constanta electrică.

Linie electrică de deplasare

O dreaptă în fiecare punct a cărei tangentă coincide cu direcția vectorului de deplasare electrică.

Inducția electrostatică

Fenomenul de inducție a sarcinilor electrice pe un corp conductor sub influența unui câmp electrostatic extern.

Câmp electric staționar

Câmpul electric al curenților electrici care nu se modifică în timp, cu condiția ca conductorii purtători de curent să fie staționari.

Câmp electric potențial

Un câmp electric în care rotorul vectorului intensității câmpului electric este peste tot egal cu zero.

Câmp electric turbionar

Un câmp electric în care rotorul vectorului de intensitate nu este întotdeauna egal cu zero.

Diferența de potențial electric în două puncte

O mărime scalară care caracterizează un câmp electric potențial, egală cu limita raportului de lucru al forțelor acestui câmp, atunci când un corp punctual încărcat pozitiv este transferat dintr-un punct dat al câmpului în altul, la sarcina acestui corp. , când sarcina corpului tinde spre zero (în caz contrar: egală cu integrala de linie a intensității câmpului electric de la un punct dat la altul).

Potențial electric într-un punct dat

Diferența dintre potențialele electrice ale unui punct dat și ale altui punct, specificat, dar ales arbitrar.

Capacitatea electrică a unui singur conductor

O mărime scalară care caracterizează capacitatea unui conductor de a acumula sarcină electrică, egală cu raportul dintre sarcina conductorului și potențialul său, presupunând că toți ceilalți conductori sunt la infinit distanță și că potențialul punctului infinit îndepărtat este considerat zero.

Capacitatea electrică între doi conductori unici

O valoare scalară egală cu valoarea absolută a raportului dintre sarcina electrică de pe un conductor și diferența de potențiale electrice a doi conductori, cu condiția ca acești conductori să aibă aceeași mărime, dar semn opus și toți ceilalți conductori să fie infinit de distanță.

Condensator

Un sistem de doi conductori (plăci) separate printr-un dielectric proiectat să utilizeze capacitatea dintre cei doi conductori.

Capacitatea condensatorului

Valoarea absolută a raportului dintre sarcina electrică de pe una dintre plăcile condensatorului și diferența de potențial dintre ele, cu condiția ca plăcile să aibă sarcini de aceeași mărime și semn opus.

Capacitatea dintre doi conductori dintr-un sistem de fire (capacitate parțială)

Valoarea absolută a raportului dintre sarcina electrică a unuia dintre conductorii incluși în sistemul de conductori și diferența de potențial dintre acesta și un alt conductor, dacă toți conductorii, cu excepția celui din urmă, au același potențial; dacă pământul este inclus în sistemul de fire considerat, atunci potențialul său este considerat zero.

Câmp electric terță parte

Câmpul cauzat de procese termice, reacții chimice, fenomene de contact, forțe mecanice și alte procese neelectromagnetice (la examinarea macroscopică); caracterizat printr-un efect puternic asupra particulelor și corpurilor încărcate situate în zona în care există acest câmp.

Câmp electric indus

Un câmp electric indus de câmpul magnetic variabil în timp.

Forța electromotoare E.d.S.

O mărime scalară care caracterizează capacitatea unui câmp electric extern și indus de a induce un curent electric egal cu integrala liniară a forței câmpului electric extern și indus între două puncte de-a lungul traseului considerat sau de-a lungul circuitului închis considerat.

Voltaj

O mărime scalară egală cu integrala liniară a intensității câmpului electric rezultat (electrostatic, staționar, extern, inductiv) între două puncte de-a lungul traseului considerat.