Elektrické pole, elektrostatická indukce, kapacita a kondenzátory

Koncept elektrického pole

Je známo, že síly elektrického pole působí v prostoru kolem elektrických nábojů. Četné experimenty na nabitých tělesech to plně potvrzují. Prostor kolem každého nabitého tělesa je elektrické pole, ve kterém působí elektrické síly.

Směr sil pole se nazývá elektrické siločáry. Proto se obecně uznává, že elektrické pole je soubor siločar.

Siločáry mají určité vlastnosti:

• siločáry vždy opouštějí kladně nabité těleso a vstupují do záporně nabitého tělesa;

• vystupují ve všech směrech kolmo k povrchu nabitého tělesa a kolmo do něj vstupují;

• siločáry dvou stejně nabitých těles se zdánlivě odpuzují a opačně nabitá tělesa se přitahují.

Siločáry elektrického pole jsou vždy otevřené, když se lámou na povrchu nabitých těles.Elektricky nabitá tělesa interagují: opačně nabitá se přitahují a podobně odpuzují.

Elektricky nabitá tělesa (částice) s náboji q1 a q2 na sebe vzájemně působí silou F, která je vektorovou veličinou a měří se v newtonech (N). Tělesa s opačnými náboji se navzájem přitahují a s podobnými náboji se odpuzují.

Síla přitažlivosti nebo odpuzování závisí na velikosti nábojů na tělesech a na vzdálenosti mezi nimi.

Nabitá tělesa se nazývají bodová, pokud jsou jejich lineární rozměry malé ve srovnání se vzdáleností r mezi tělesy. Velikost jejich interakční síly F závisí na velikosti nábojů q1 a q2, vzdálenosti r mezi nimi a prostředí, ve kterém se elektrické náboje nacházejí.

Pokud v prostoru mezi tělesy není vzduch, ale nějaké jiné dielektrikum, tedy nevodič elektřiny, pak se síla vzájemného působení mezi tělesy sníží.

Hodnota charakterizující vlastnosti dielektrika a ukazující, kolikrát vzroste síla interakce mezi náboji, pokud je dané dielektrikum nahrazeno vzduchem, se nazývá relativní permitivita daného dielektrika.

Dielektrická konstanta je rovna: pro vzduch a plyny — 1; pro ebonit — 2 — 4; za slídu 5 — 8; na olej 2 — 5; pro papír 2 — 2,5; pro parafín — 2 — 2.6.

Elektrostatické pole dvou nabitých těles: a — tala jsou nabitá stejným názvem, b — tělesa jsou nabitá různě

Elektrostatická indukce

Pokud vodivému tělesu A kulovitého tvaru, izolovanému od okolních předmětů, připadne záporný elektrický náboj, to znamená, že se v něm vytvoří přebytek elektronů, bude tento náboj rovnoměrně rozložen po povrchu tělesa.Je to proto, že elektrony, které se navzájem odpuzují, mají tendenci dostat se na povrch těla.

Do pole tělesa A umístíme nenabité těleso B, rovněž izolované od okolních předmětů. Poté se na povrchu tělesa B objeví elektrické náboje a na straně přivrácené k tělesu A náboj opačný k náboji tělesa A ( kladný ), a na druhé straně - náboj se stejným názvem jako náboj těla A (negativní). Takto rozložené elektrické náboje zůstávají na povrchu tělesa B, dokud se nachází v poli tělesa A. Pokud je těleso B z pole odstraněno nebo těleso A odstraněno, pak je elektrický náboj na povrchu tělesa B neutralizován. Tento způsob elektrifikace na dálku se nazývá elektrostatická indukce nebo elektrifikace vlivem.

Jev elektrostatické indukce

Je zřejmé, že takto zelektrizovaný stav tělesa je vynucován a udržován výhradně působením sil elektrického pole vytvářeného tělesem A.

Pokud uděláme totéž, když je tělo A kladně nabité, pak se volné elektrony z ruky člověka vrhnou do těla B, neutralizují jeho kladný náboj a tělo B bude nabito záporně.

Čím vyšší je stupeň elektrifikace tělesa A, t.j. čím větší je jeho potenciál, tím větší potenciál lze elektrizovat pomocí elektrostatického indukčního tělesa B.

Došli jsme tedy k závěru, že jev elektrostatické indukce umožňuje za určitých podmínek akumulaci elektřina na povrchu vodivých těles.

Jakékoli těleso může být nabito do určité hranice, tedy do určitého potenciálu; zvýšení potenciálu nad limit způsobí vymrštění tělesa do okolní atmosféry. Různá těla potřebují různé množství elektřiny, aby dosáhla stejného potenciálu. Jinými slovy, různá těla obsahují různá množství elektřiny, to znamená, že mají různé elektrické kapacity (nebo jednoduše kapacity).

Elektrická kapacita je schopnost tělesa pojmout určité množství elektřiny a zároveň zvýšit svůj potenciál na určitou hodnotu. Čím větší je povrch těla, tím více elektrického náboje může tělo pojmout.

Pokud má těleso tvar koule, pak je jeho kapacita přímo úměrná poloměru koule. Kapacita se měří ve faradech.

Farada je kapacita takového tělesa, které po přijetí náboje elektřiny v přívěsku zvýší svůj potenciál o jeden volt... 1 farad = 1 000 000 mikrofaradů.

Elektrická kapacita, tedy vlastnost vodivých těles akumulovat v sobě elektrický náboj, má široké využití v elektrotechnice. Zařízení je založeno na této vlastnosti elektrické kondenzátory.

Kapacita kondenzátoru

Kondenzátor se skládá ze dvou kovových desek (desek), vzájemně izolovaných vzduchovou vrstvou nebo jiným dielektrikem (slída, papír atd.).

Pokud je jedna z desek nabita kladně a druhá záporně, to znamená, že je nabijete opačně, pak náboje desek, které se vzájemně přitahují, budou drženy na deskách. To umožňuje, aby se na talíře koncentrovalo mnohem více elektřiny, než kdyby byly nabíjeny na dálku od sebe.

Proto může kondenzátor sloužit jako zařízení, které ve svých deskách ukládá značné množství elektřiny. Jinými slovy, kondenzátor je zásobník elektrické energie.

Kapacita kondenzátoru je rovna:

C = eS/4 pl

kde C je kapacita; e je dielektrická konstanta dielektrika; S — plocha jedné desky v cm2, NS — konstantní číslo (pi) rovné 3,14; l — vzdálenost mezi deskami v cm.

Z tohoto vzorce lze vidět, že jak se plocha desek zvětšuje, kapacita kondenzátoru se zvyšuje a jak se vzdálenost mezi nimi zvyšuje, snižuje se.

Pojďme si tuto závislost vysvětlit. Čím větší je plocha desek, tím více elektřiny mohou absorbovat, a proto bude kapacita kondenzátoru větší.

Se zmenšující se vzdáleností mezi deskami se zvyšuje vzájemné ovlivňování (indukce) mezi jejich náboji, což umožňuje soustředit více elektřiny na desky a tím i zvyšovat kapacitu kondenzátoru.

Pokud tedy chceme získat velký kondenzátor, musíme vzít desky s velkou plochou a izolovat je tenkou dielektrickou vrstvou.

Vzorec také ukazuje, že s rostoucí dielektrickou konstantou dielektrika se zvyšuje kapacita kondenzátoru.

Proto mají kondenzátory se stejnými geometrickými rozměry, ale obsahující různá dielektrika, různé kapacity.

Vezmeme-li například kondenzátor se vzduchovým dielektrikem, jehož dielektrická konstanta je rovna jednotce, a mezi jeho desky vložíme slídu s dielektrickou konstantou 5, pak se kapacita kondenzátoru zvýší 5krát.

Proto se jako dielektrika pro získání velké kapacity používají materiály jako slída, papír napuštěný parafínem atd., jejichž dielektrická konstanta je mnohem vyšší než u vzduchu.

Podle toho se rozlišují následující typy kondenzátorů: vzduchové, pevné dielektrikum a kapalné dielektrikum.

Nabíjení a vybíjení kondenzátoru. Zkreslený proud

Zařaďme do obvodu kondenzátor s konstantní kapacitou. Umístěním spínače na kontakt a se kondenzátor zapojí do obvodu baterie. Ručička miliampérmetru se v okamžiku, kdy je kondenzátor připojen k obvodu, vychýlí a stane se nulovou.

DC kondenzátor

Proto elektrický proud procházel obvodem v určitém směru. Pokud je nyní spínač umístěn na kontaktu b (tj. zavřete destičky), pak se ručička miliampérmetru vychýlí v opačném směru a vrátí se na nulu. Proto obvodem také procházel proud, ale jiným směrem. Pojďme analyzovat tento fenomén.

Když byl kondenzátor připojen k baterii, byl nabit, to znamená, že jeho desky dostaly jeden kladný a druhý záporný náboj. Účtování pokračuje do potenciální rozdíl mezi deskami kondenzátoru se nerovná napětí baterie. Miliampérmetr zapojený do série v obvodu ukazuje nabíjecí proud kondenzátoru, který se zastaví ihned po nabití kondenzátoru.

Když byl kondenzátor odpojen od baterie, zůstal nabitý a potenciálový rozdíl mezi jeho deskami se rovnal napětí baterie.

Jakmile se však kondenzátor sepnul, začal se vybíjet a obvodem procházel vybíjecí proud, ale již v opačném směru než nabíjecí proud. Toto pokračuje, dokud nezmizí rozdíl potenciálů mezi deskami, tedy dokud se kondenzátor nevybije.

Pokud je tedy kondenzátor zařazen do stejnosměrného obvodu, proud bude v obvodu protékat pouze v době nabíjení kondenzátoru a v budoucnu nebude v obvodu žádný proud, protože obvod bude přerušen dielektrikem. kondenzátoru.

Proto se říká, že «Kondenzátor neprochází stejnosměrným proudem».

Množství elektřiny (Q), které lze koncentrovat na deskách kondenzátoru, jeho kapacita (C) a hodnota napětí přiváděného do kondenzátoru (U) souvisí následujícím vztahem: Q = CU.

Tento vzorec ukazuje, že čím větší je kapacita kondenzátoru, tím více elektřiny se na něj může soustředit, aniž by se výrazně zvýšilo napětí na jeho deskách.

Zvýšení stejnosměrného kapacitního napětí také zvyšuje množství elektřiny uložené v kondenzátoru. Pokud se však na desky kondenzátoru přivede velké napětí, pak se kondenzátor může „rozbít“, to znamená, že působením tohoto napětí se dielektrikum na nějakém místě zhroutí a nechá jím procházet proud. V tomto případě kondenzátor přestane fungovat. Aby nedošlo k poškození kondenzátorů, udávají hodnotu přípustného provozního napětí.

Fenomén polarizace dielektrika

Pojďme nyní analyzovat, co se děje v dielektriku, když je kondenzátor nabitý a vybitý a proč hodnota kapacity závisí na dielektrické konstantě?

Odpověď na tuto otázku nám dává elektronická teorie struktury hmoty.

V dielektriku, stejně jako v každém izolátoru, nejsou žádné volné elektrony. V atomech dielektrika jsou elektrony pevně vázány na jádro, proto napětí přivedené na desky kondenzátoru nezpůsobuje v jeho dielektriku směrový pohyb elektronů, tzn. elektrický proud, jako v případě drátů.

Avšak působením sil elektrického pole vytvářeného nabitými deskami jsou elektrony obíhající kolem atomového jádra posunuty směrem ke kladně nabité desce kondenzátoru. Atom se přitom natahuje ve směru siločar.Tento stav dielektrických atomů se nazývá polarizovaný a jev samotný se nazývá polarizace dielektrika.

Když je kondenzátor vybitý, polarizovaný stav dielektrika se naruší, to znamená, že posunutí elektronů vzhledem k jádru způsobené polarizací zmizí a atomy se vrátí do svého obvyklého nepolarizovaného stavu. Bylo zjištěno, že přítomnost dielektrika zeslabuje pole mezi deskami kondenzátoru.

Různá dielektrika se působením stejného elektrického pole polarizují do různých stupňů. Čím snadněji je dielektrikum polarizováno, tím více zeslabuje pole. Polarizace vzduchu například vede k menšímu zeslabení pole než polarizace jakéhokoli jiného dielektrika.

Ale zeslabení pole mezi deskami kondenzátoru vám umožňuje soustředit se na ně větší množství elektřiny Q při stejném napětí U, což zase vede ke zvýšení kapacity kondenzátoru, protože C = Q / U .

Došli jsme tedy k závěru — čím větší je dielektrická konstanta dielektrika, tím větší je kapacita kondenzátoru, který toto dielektrikum obsahuje ve svém složení.

Posunem elektronů v atomech dielektrika, ke kterému dochází, jak jsme si již řekli, působením sil elektrického pole, vzniká v dielektriku v prvním okamžiku působení pole el. proud .Nazývá se vychylovací proud... Je tak pojmenován, protože na rozdíl od vodivého proudu v kovových drátech je posuvný proud generován pouze posunutím elektronů pohybujících se v jejich atomech.

Přítomnost tohoto předpětí způsobí, že kondenzátor připojený ke zdroji střídavého proudu se stane jeho vodičem.

Viz také k tomuto tématu: Elektrické a magnetické pole: Jaké jsou rozdíly?

Hlavní charakteristiky elektrického pole a hlavní elektrické charakteristiky média (základní pojmy a definice)

Síla elektrického pole

Vektorová veličina charakterizující silové působení elektrického pole na elektricky nabitá tělesa a částice, rovná mezi poměru síly, kterou elektrické pole působí na stacionární bodově nabité těleso zavedené v uvažovaném bodě pole k. náboj tohoto tělesa, když tento náboj směřuje k nule a jehož směr se předpokládá, že se shoduje se směrem síly působící na kladně nabité bodové těleso.

Elektrická siločára

Přímka v libovolném bodě, jehož tečna k ní se shoduje se směrem vektoru intenzity elektrického pole.

Elektrická polarizace

Stav hmoty charakterizovaný tím, že elektrický moment daného objemu této látky má jinou hodnotu než nulu.

Elektrická vodivost

Vlastnost látky vést pod vlivem elektrického pole, které se v čase nemění, elektrický proud, který se v čase nemění.

Dielektrikum

Látka, jejíž hlavní elektrickou vlastností je schopnost polarizace v elektrickém poli a u které je možná dlouhodobá existence elektrostatického pole.

Vodivá látka

Látka, jejíž hlavní elektrickou vlastností je elektrická vodivost.

Ředitel

Vodivé těleso.

Polovodičová látka (polovodič)

Látka, jejíž elektrická vodivost je mezi vodivou látkou a dielektrikem a jejíž rozlišovací vlastnosti jsou: výrazná závislost elektrické vodivosti na teplotě; změna elektrické vodivosti při vystavení elektrickému poli, světlu a dalším vnějším faktorům; značná závislost jeho elektrické vodivosti na množství a povaze vnesených nečistot, což umožňuje zesilovat a korigovat elektrický proud a také přeměňovat některé druhy energie na elektřinu.

Polarizace (intenzita polarizace)

Vektorová veličina charakterizující stupeň elektrické polarizace dielektrika, která se rovná limitu poměru elektrického momentu určitého objemu dielektrika k tomuto objemu, když tento má tendenci k nule.

Elektrická konstanta

Skalární veličina charakterizující elektrické pole v dutině, která se rovná poměru celkového elektrického náboje obsaženého v určité uzavřené ploše k toku vektoru intenzity elektrického pole touto plochou v dutině.

Absolutní dielektrická citlivost

Skalární veličina charakterizující vlastnost dielektrika být polarizována v elektrické hmotě, rovná poměru velikosti polarizace k velikosti intenzity elektrického pole.

Dielektrická citlivost

Poměr absolutní dielektrické susceptibility v uvažovaném bodě dielektrika k elektrické konstantě.

Elektrický posuv

Vektorová veličina rovna geometrickému součtu intenzity elektrického pole v uvažovaném bodě vynásobené elektrickou konstantou a polarizací ve stejném bodě.

Absolutní dielektrická konstanta

Skalární veličina charakterizující elektrické vlastnosti dielektrika a rovna poměru velikosti elektrického posuvu k velikosti napětí elektrického pole.

Dielektrická konstanta

Poměr absolutní dielektrické konstanty v uvažovaném bodě dielektrika k elektrické konstantě.

Výtlakové elektrické vedení

Přímka, jejíž tečna se v každém bodě shoduje se směrem vektoru elektrického posunutí.

Elektrostatická indukce

Jev indukce elektrických nábojů na vodivém tělese pod vlivem vnějšího elektrostatického pole.

Stacionární elektrické pole

Elektrické pole elektrických proudů, které se v čase nemění, za předpokladu, že vodiče s proudem jsou stacionární.

Potenciální elektrické pole

Elektrické pole, ve kterém je rotor vektoru síly elektrického pole všude roven nule.

Vířivé elektrické pole

Elektrické pole, ve kterém rotor vektoru intenzity není vždy roven nule.

Rozdíl elektrických potenciálů ve dvou bodech

Skalární veličina charakterizující potenciální elektrické pole, která se rovná meze poměru práce sil tohoto pole, kdy se kladně nabité bodové těleso přenáší z jednoho daného bodu pole do druhého, k náboji tohoto tělesa. , kdy náboj tělesa má tendenci k nule (jinak: roven přímkovému integrálu intenzity elektrického pole z jednoho daného bodu do druhého).

Elektrický potenciál v daném bodě

Rozdíl mezi elektrickými potenciály daného bodu a jiného, ​​specifikovaného, ​​ale libovolně zvoleného bodu.

Elektrická kapacita jednoho vodiče

Skalární veličina charakterizující schopnost vodiče akumulovat elektrický náboj, rovna poměru náboje vodiče k jeho potenciálu, za předpokladu, že všechny ostatní vodiče jsou nekonečně vzdálené a potenciál nekonečně vzdáleného bodu se předpokládá nulový.

Elektrická kapacita mezi dvěma samostatnými vodiči

Skalární hodnota rovna absolutní hodnotě poměru elektrického náboje na jednom vodiči k rozdílu elektrických potenciálů dvou vodičů za předpokladu, že tyto vodiče mají stejnou velikost, ale opačné znaménko a všechny ostatní vodiče jsou nekonečně vzdálené.

Kondenzátor

Systém dvou vodičů (desek) oddělených dielektrikem určeným k využití kapacity mezi dvěma vodiči.

Kapacita kondenzátoru

Absolutní hodnota poměru elektrického náboje na jedné z desek kondenzátoru k rozdílu potenciálů mezi nimi za předpokladu, že desky mají náboje stejné velikosti a opačného znaménka.

Kapacita mezi dvěma vodiči v drátovém systému (částečná kapacita)

Absolutní hodnota poměru elektrického náboje jednoho z vodičů obsažených v soustavě vodičů k rozdílu potenciálů mezi ním a jiným vodičem, pokud všechny vodiče, kromě druhého, mají stejný potenciál; pokud je země zahrnuta do uvažovaného systému vodičů, pak se její potenciál považuje za nulový.

Elektrické pole třetí strany

Pole způsobené tepelnými procesy, chemickými reakcemi, kontaktními jevy, mechanickými silami a jinými neelektromagnetickými (v makroskopickém zkoumání) procesy; vyznačující se silným účinkem na nabité částice a tělesa nacházející se v oblasti, kde toto pole existuje.

Indukované elektrické pole

Elektrické pole indukované časově proměnným magnetickým polem.

Elektromotorická síla E. d. S.

Skalární veličina, která charakterizuje schopnost vnějšího a indukovaného elektrického pole indukovat elektrický proud rovný lineárnímu integrálu síly vnějšího a indukovaného elektrického pole mezi dvěma body podél uvažované dráhy nebo podél uvažovaného uzavřeného obvodu.

Napětí

Skalární veličina rovna lineárnímu integrálu síly výsledného elektrického pole (elektrostatického, stacionárního, vnějšího, indukčního) mezi dvěma body podél uvažované dráhy.