Електрично поље, електростатичка индукција, капацитивност и кондензатори

Концепт електричног поља

Познато је да силе електричног поља делују у простору око електричних наелектрисања. Бројни експерименти на наелектрисаним телима то у потпуности потврђују. Простор око било ког наелектрисаног тела је електрично поље у коме делују електричне силе.

Правац сила поља назива се линијама електричног поља. Стога је опште прихваћено да је електрично поље скуп линија силе.

Линије поља имају одређена својства:

• линије силе увек напуштају позитивно наелектрисано тело и улазе у негативно наелектрисано тело;

• излазе у свим правцима управно на површину наелектрисаног тела и улазе у њега окомито;

• чини се да се линије силе два подједнако наелектрисана тела одбијају, а супротно наелектрисана тела привлаче.

Линије силе електричног поља су увек отворене док се ломе на површини наелектрисаних тела.Електрично наелектрисана тела међусобно делују: супротно наелектрисана привлаче и слично одбијају.

Електрично наелектрисана тела (честице) са наелектрисањем к1 и к2 међусобно делују силом Ф, која је векторска величина и мери се у њутнима (Н). Тела супротног наелектрисања се међусобно привлаче, а са сличним наелектрисањем одбијају.

Сила привлачења или одбијања зависи од величине наелектрисања на телима и од удаљености између њих.

Наелектрисана тела називају се тачкастим ако су њихове линеарне димензије мале у поређењу са растојањем р између тела. Величина њихове интеракцијске силе Ф зависи од величине наелектрисања к1 и к2, удаљености р између њих и средине у којој се електрична наелектрисања налазе.

Ако у простору између тела нема ваздуха, већ неког другог диелектрика, односно непроводника електрицитета, тада ће се сила интеракције између тела смањити.

Вредност која карактерише својства диелектрика и показује колико ће се пута повећати сила интеракције између наелектрисања ако се дати диелектрик замени ваздухом назива се релативна пермитивност датог диелектрика.

Диелектрична константа је једнака: за ваздух и гасове — 1; за ебонит — 2 — 4; за лискун 5 — 8; за уље 2 — 5; за папир 2 — 2,5; за парафин — 2 — 2.6.

Електростатичко поље два наелектрисана тела: а — тала су наелектрисана истим именом, б — тела су различито наелектрисана

Електростатичка индукција

Ако се проводном телу А сферног облика, изолованом од околних објеката, да негативни електрични набој, односно да се у њему створи вишак електрона, онда ће ово наелектрисање бити равномерно распоређено по површини тела.То је зато што електрони, одбијајући једни друге, имају тенденцију да дођу на површину тела.

Ненаелектрисано тело Б, такође изоловано од околних објеката, постављамо у поље тела А. Тада ће се на површини тела Б појавити електрични набоји, а на страни окренутој телу А наелектрисање супротно наелектрисању тела А ( позитивно ), а на другој страни - наелектрисање истог имена као наелектрисање тела А (негативно). Овако распоређена електрична наелектрисања остају на површини тела Б док се оно налази у пољу тела А. Ако се тело Б уклони из поља или тело А уклони, тада се електрични набој на површини тела Б неутралише. Овај метод наелектрисања на даљину назива се електростатичка индукција или наелектрисање утицајем.

Феномен електростатичке индукције

Очигледно је да се такво наелектрисано стање тела форсира и одржава искључиво дејством сила електричног поља које ствара тело А.

Ако урадимо исто када је тело А позитивно наелектрисано, онда ће слободни електрони из руке човека појурити ка телу Б, неутралисати његово позитивно наелектрисање, а тело Б ће бити негативно наелектрисано.

Што је већи степен наелектрисања тела А, односно што је већи његов потенцијал, већи потенцијал се може наелектрисати помоћу тела Б електростатичке индукције.

Тако смо дошли до закључка да феномен електростатичке индукције омогућава под одређеним условима да се акумулира електрична енергија на површини проводних тела.

Свако тело може бити наелектрисано до одређене границе, односно до одређеног потенцијала; повећање потенцијала преко границе изазива избацивање тела у околну атмосферу. Различитим телима су потребне различите количине електричне енергије да би их довеле до истог потенцијала. Другим речима, различита тела садрже различите количине електричне енергије, односно имају различите електричне капацитете (или једноставно капацитете).

Електрични капацитет је способност тела да садржи одређену количину електричне енергије док повећава свој потенцијал до одређене вредности. Што је већа површина тела, то тело може да задржи више електричног набоја.

Ако тело има облик лопте, онда је његов капацитет директно пропорционалан полупречнику лопте. Капацитет се мери у фарадима.

Фарада је капацитет таквог тела које, након што добије наелектрисање у привеску, повећава свој потенцијал за један волт... 1 фарад = 1.000.000 микрофарада.

Електрични капацитет, односно својство проводних тела да акумулирају електрични набој у себи, има широку примену у електротехници. Уређај је заснован на овој особини електрични кондензатори.

Капацитет кондензатора

Кондензатор се састоји од две металне плоче (плоче), изоловане једна од друге ваздушним слојем или другим диелектриком (лискун, папир, итд.).

Ако је једној од плоча дат позитиван набој, а другој негативан, односно наелектрише их супротно, онда ће се наелектрисања плоча, међусобно привлачећи, задржати на плочама. Ово омогућава да се на плочама концентрише много више електричне енергије него да су наелектрисане на удаљености једна од друге.

Дакле, кондензатор може послужити као уређај који складишти значајну количину електричне енергије у својим плочама. Другим речима, кондензатор је складиште електричне енергије.

Капацитет кондензатора је једнак:

Ц = еС / 4пл

где је Ц капацитивност; е је диелектрична константа диелектрика; С — површина једне плоче у цм2, НС — константни број (пи) једнак 3,14; л — растојање између плоча у цм.

Из ове формуле се може видети да како се површина плоча повећава, капацитет кондензатора се повећава, а како се растојање између њих повећава, он се смањује.

Хајде да објаснимо ову зависност. Што је већа површина плоча, то више електричне енергије могу да апсорбују и самим тим ће капацитет кондензатора бити већи.

Како се растојање између плоча смањује, повећава се међусобни утицај (индукција) између њихових наелектрисања, што омогућава да се више електричне енергије концентрише на плочама и, самим тим, да се повећа капацитет кондензатора.

Дакле, ако желимо да добијемо велики кондензатор, морамо узети плоче велике површине и изоловати их танким диелектричним слојем.

Формула такође показује да како се диелектрична константа диелектрика повећава, капацитивност кондензатора расте.

Дакле, кондензатори са истим геометријским димензијама, али који садрже различите диелектрике, имају различите капацитете.

Ако, на пример, узмемо кондензатор са ваздушним диелектриком чија је диелектрична константа једнака јединици, а између његових плоча ставимо лискун са диелектричном константом 5, онда ће се капацитивност кондензатора повећати за 5 пута.

Због тога се као диелектрици за добијање великог капацитета користе материјали као што су лискун, папир импрегниран парафином итд., чија је диелектрична константа много већа од оне у ваздуху.

Сходно томе, разликују се следеће врсте кондензатора: ваздух, чврсти диелектрик и течни диелектрик.

Пуњење и пражњење кондензатора. Биас цуррент

Укључимо кондензатор константне капацитивности у коло. Постављањем прекидача на контакт а, кондензатор ће бити укључен у коло батерије. Игла милиамперметра у тренутку када је кондензатор спојен на коло ће одступити и затим постати нула.

ДЦ кондензатор

Дакле, електрична струја је пролазила кроз коло у одређеном правцу. Ако је прекидач сада постављен на контакт б (тј. затворите плоче), онда ће се игла милиамперметра скренути у другом правцу и вратити се на нулу. Дакле, струја је такође пролазила кроз коло, али у другом правцу. Хајде да анализирамо овај феномен.

Када је кондензатор спојен на батерију, он је напуњен, односно његове плоче су добиле једно позитивно, а друго негативно наелектрисање. Наплата се наставља до разлика потенцијала између плоча кондензатора није једнак напону батерије. Милиамперметар повезан у коло показује струју пуњења кондензатора, која престаје одмах након што се кондензатор напуни.

Када је кондензатор искључен из батерије, он је остао напуњен, а потенцијална разлика између његових плоча била је једнака напону батерије.

Међутим, чим је кондензатор затворен, почео је да се празни и струја пражњења је прошла кроз коло, али већ у правцу супротном од струје пуњења. Ово се наставља све док потенцијална разлика између плоча не нестане, односно док се кондензатор не испразни.

Дакле, ако је кондензатор укључен у једносмерно коло, струја ће тећи у колу само у тренутку пуњења кондензатора, а у будућности неће бити струје у колу, јер ће коло бити прекинуто диелектриком. кондензатора.

Зато кажу да „кондензатор не пропушта једносмерну струју“.

Количина електричне енергије (К) која се може концентрисати на плочама кондензатора, његов капацитет (Ц) и вредност напона који се доводи до кондензатора (У) повезани су следећим односом: К = ЦУ.

Ова формула показује да што је већи капацитет кондензатора, то се више електричне енергије може концентрисати на њега без значајног повећања напона на његовим плочама.

Повећање напона ДЦ капацитивности такође повећава количину електричне енергије коју кондензатор чува. Међутим, ако се на плоче кондензатора примени велики напон, онда кондензатор може да се „разбије“, односно под дејством овог напона диелектрик ће се на неком месту срушити и пустити струју да прође кроз њега. У овом случају, кондензатор ће престати да функционише. Да би се избегло оштећење кондензатора, они означавају вредност дозвољеног радног напона.

Феномен диелектричне поларизације

Хајде сада да анализирамо шта се дешава у диелектрику када се кондензатор пуни и празни и зашто вредност капацитивности зависи од диелектричне константе?

Одговор на ово питање даје нам електронска теорија структуре материје.

У диелектрику, као иу сваком изолатору, нема слободних електрона. У атомима диелектрика, електрони су чврсто везани за језгро, стога напон примењен на плоче кондензатора не изазива усмерено кретање електрона у његовом диелектрику, тј. електрична струја, као у случају жица.

Међутим, под дејством сила електричног поља које стварају наелектрисане плоче, електрони који се окрећу око атомског језгра померају се према позитивно наелектрисаној плочи кондензатора. При томе се атом растеже у правцу линија поља.Ово стање диелектричних атома назива се поларизовано, а сам феномен се назива диелектрична поларизација.

Када се кондензатор испразни, поларизовано стање диелектрика је прекинуто, односно померање електрона у односу на језгро изазвано поларизацијом нестаје и атоми се враћају у своје уобичајено неполаризовано стање. Утврђено је да присуство диелектрика слаби поље између плоча кондензатора.

Различити диелектрици под дејством истог електричног поља поларизују се у различитим степенима. Што је диелектрик лакше поларизован, то више слаби поље. Поларизација ваздуха, на пример, доводи до мањег слабљења поља од поларизације било ког другог диелектрика.

Али слабљење поља између плоча кондензатора омогућава вам да концентришете на њих већу количину електричне енергије К на истом напону У, што заузврат доводи до повећања капацитета кондензатора, пошто је Ц = К / У .

Тако смо дошли до закључка — што је већа диелектрична константа диелектрика, већи је капацитет кондензатора који садржи овај диелектрик у свом саставу.

Померање електрона у атомима диелектрика, које настаје, као што смо већ рекли, под дејством сила електричног поља, формира се у диелектрику, у првом тренутку дејства поља, електрично Зове се струја скретања... Тако је названа јер за разлику од струје проводљивости у металним жицама, струја померања се генерише само померањем електрона који се крећу у њиховим атомима.

Присуство ове струје пристрасности узрокује да кондензатор спојен на извор наизменичне струје постане његов проводник.

Погледајте и на ову тему: Електрично и магнетно поље: које су разлике?

Главне карактеристике електричног поља и главне електричне карактеристике средине (основни појмови и дефиниције)

Јачина електричног поља

Векторска величина која карактерише дејство силе електричног поља на електрично наелектрисана тела и честице, једнака граници односа силе којом електрично поље делује на стационарно тачкасто наелектрисано тело уведено у разматрану тачку поља до наелектрисање овог тела када ово наелектрисање тежи нули и чији се смер претпоставља да се поклапа са смером силе која делује на позитивно наелектрисано тачкасто тело.

Линија електричног поља

Права у било којој тачки чија се тангента на њу поклапа са смером вектора јачине електричног поља.

Електрична поларизација

Стање материје које карактерише чињеница да електрични момент дате запремине те супстанце има вредност различиту од нуле.

Електрична проводљивост

Својство супстанце да под утицајем електричног поља које се не мења у времену проводи електричну струју која се не мења у времену.

Диелектрик

Супстанца чије је главно електрично својство способност поларизације у електричном пољу и у којој је могуће дугорочно постојање електростатичког поља.

Проводљива супстанца

Супстанца чије је главно електрично својство електрична проводљивост.

директор

Проводно тело.

Полупроводничка супстанца (полупроводник)

Супстанца чија је електрична проводљивост средња између проводне супстанце и диелектрика и чија су препознатљива својства: изражена зависност електричне проводљивости од температуре; промена електричне проводљивости када је изложена електричном пољу, светлости и другим спољним факторима; значајна зависност његове електричне проводљивости од количине и природе унетих нечистоћа, што омогућава појачавање и корекцију електричне струје, као и претварање неких врста енергије у електричну.

Поларизација (интензитет поларизације)

Векторска величина која карактерише степен електричне поларизације диелектрика, једнака граници односа електричног момента одређене запремине диелектрика према овој запремини када овај тежи ка нули.

Електрична константа

Скаларна величина која карактерише електрично поље у шупљини, једнака односу укупног електричног наелектрисања садржаног у одређеној затвореној површини и протока вектора јачине електричног поља кроз ову површину у празнини.

Апсолутна диелектрична осетљивост

Скаларна величина која карактерише својство диелектрика да буде поларизован у електричној маси, једнака односу величине поларизације и величине јачине електричног поља.

Диелектрична осетљивост

Однос апсолутне диелектричне осетљивости у разматраној тачки диелектрика према електричној константи.

Електрични померај

Векторска величина једнака геометријском збиру јачине електричног поља у тачки која се разматра помножена електричном константом и поларизацијом у истој тачки.

Апсолутна диелектрична константа

Скаларна величина која карактерише електрична својства диелектрика и једнака је односу величине електричног померања и величине напона електричног поља.

Диелектрична константа

Однос апсолутне диелектричне константе у разматраној тачки диелектрика према електричној константи.

Померај далековод

Права у свакој тачки чија се тангента поклапа са смером вектора електричног померања.

Електростатичка индукција

Феномен индукције електричних наелектрисања на проводном телу под утицајем спољашњег електростатичког поља.

Стационарно електрично поље

Електрично поље електричних струја које се не мењају у времену, под условом да проводници са струјом мирују.

Потенцијално електрично поље

Електрично поље у коме је ротор вектора јачине електричног поља свуда једнак нули.

Вртложно електрично поље

Електрично поље у коме ротор вектора интензитета није увек једнак нули.

Разлика електричних потенцијала у две тачке

Скаларна величина која карактерише потенцијално електрично поље, једнака граници односа рада сила овог поља, када се позитивно наелектрисано тачкасто тело пренесе из једне дате тачке поља у другу, на наелектрисање овог тела , када наелектрисање тела тежи нули (иначе: једнако линијском интегралу јачине електричног поља од једне дате тачке до друге).

Електрични потенцијал у датој тачки

Разлика између електричних потенцијала дате тачке и друге, одређене, али произвољно изабране тачке.

Електрични капацитет једног проводника

Скаларна величина која карактерише способност проводника да акумулира електрични набој, једнак односу наелектрисања проводника и његовог потенцијала, под претпоставком да су сви остали проводници бесконачно удаљени и да се претпоставља да је потенцијал бесконачно удаљене тачке једнак нули.

Електрични капацитет између два појединачна проводника

Скаларна вредност једнака апсолутној вредности односа електричног наелектрисања на једном проводнику према разлици електричних потенцијала два проводника, под условом да ови проводници имају исту величину али супротан знак и да су сви остали проводници бесконачно удаљени.

Кондензатор

Систем од два проводника (плоче) одвојених диелектриком дизајниран да користи капацитет између два проводника.

Капацитет кондензатора

Апсолутна вредност односа електричног наелектрисања на једној од плоча кондензатора и разлике потенцијала између њих, под условом да плоче имају наелектрисања исте величине и супротног знака.

Капацитет између два проводника у жичаном систему (делимични капацитет)

Апсолутна вредност односа електричног наелектрисања једног од проводника укључених у систем проводника и разлике потенцијала између њега и другог проводника, ако сви проводници, осим овог другог, имају исти потенцијал; ако је уземљење укључено у разматрани систем жица, онда се његов потенцијал узима као нула.

Електрично поље треће стране

Поље изазвано топлотним процесима, хемијским реакцијама, контактним појавама, механичким силама и другим неелектромагнетним (у макроскопском испитивању) процесима; карактерише снажно дејство на наелектрисане честице и тела која се налазе у области где ово поље постоји.

Индуковано електрично поље

Електрично поље индуковано временски променљивим магнетним пољем.

Електромоторна сила Е. д. С.

Скаларна величина која карактерише способност спољашњег и индукованог електричног поља да индукује електричну струју једнаку линеарном интегралу јачине спољашњих и индукованих електричних поља између две тачке дуж разматране путање или дуж разматраног затвореног кола.

Волтажа

Скаларна величина једнака линеарном интегралу јачине резултујућег електричног поља (електростатичког, стационарног, спољашњег, индуктивног) између две тачке дуж разматране путање.