Elektriskais lauks, elektrostatiskā indukcija, kapacitāte un kondensatori

Elektriskā lauka koncepcija

Ir zināms, ka elektriskā lauka spēki darbojas telpā ap elektriskajiem lādiņiem. Daudzi eksperimenti ar uzlādētiem ķermeņiem to pilnībā apstiprina. Telpa ap jebkuru uzlādētu ķermeni ir elektriskais lauks, kurā darbojas elektriskie spēki.

Lauka spēku virzienus sauc par elektriskā lauka līnijām. Tāpēc ir vispāratzīts, ka elektriskais lauks ir spēka līniju kopums.

Lauka līnijām ir noteiktas īpašības:

• spēka līnijas vienmēr atstāj pozitīvi lādētu ķermeni un nonāk negatīvi lādētā ķermenī;

• tie iziet visos virzienos perpendikulāri uzlādētā ķermeņa virsmai un ieiet tajā perpendikulāri;

• divu vienādi lādētu ķermeņu spēka līnijas, šķiet, atgrūž viena otru, un pretēji lādēti ķermeņi piesaista.

Elektriskā lauka spēka līnijas vienmēr ir atvērtas, kad tās pārtrūkst uz uzlādētu ķermeņu virsmas.Elektriski lādēti ķermeņi mijiedarbojas: pretēji lādēti piesaista un līdzīgi atgrūž.

Elektriski lādēti ķermeņi (daļiņas) ar lādiņiem q1 un q2 mijiedarbojas savā starpā ar spēku F, kas ir vektora lielums un tiek mērīts ņūtonos (N). Ķermeņi ar pretējiem lādiņiem viens otru pievelk un ar līdzīgiem lādiņiem viens otru atgrūž.

Pievilkšanās vai atgrūšanas spēks ir atkarīgs no lādiņu lieluma uz ķermeņiem un attāluma starp tiem.

Uzlādētus ķermeņus sauc par punktiem, ja to lineārie izmēri ir mazi, salīdzinot ar attālumu r starp ķermeņiem. To mijiedarbības spēka F lielums ir atkarīgs no lādiņu q1 un q2 lieluma, attāluma r starp tiem un vides, kurā atrodas elektriskie lādiņi.

Ja telpā starp ķermeņiem nav gaisa, bet kāds cits dielektriķis, tas ir, elektrības nevadītājs, tad ķermeņu mijiedarbības spēks samazināsies.

Vērtību, kas raksturo dielektriķa īpašības un parāda, cik reižu palielināsies mijiedarbības spēks starp lādiņiem, ja konkrēts dielektriķis tiek aizstāts ar gaisu, sauc par dotā dielektriķa relatīvo caurlaidību.

Dielektriskā konstante ir vienāda ar: gaisam un gāzēm — 1; ebonītam — 2 — 4; vizlai 5 — 8; eļļai 2 — 5; papīram 2 — 2,5; parafīnam — 2 — 2,6.

Divu uzlādētu ķermeņu elektrostatiskais lauks: a — talas ir uzlādētas ar vienu un to pašu nosaukumu, b — ķermeņi tiek uzlādēti atšķirīgi

Elektrostatiskā indukcija

Ja vadošam ķermenim A ar sfērisku formu, kas izolēts no apkārtējiem objektiem, tiek dots negatīvs elektriskais lādiņš, tas ir, lai tajā radītu elektronu pārpalikumu, tad šis lādiņš tiks vienmērīgi sadalīts pa ķermeņa virsmu.Tas ir tāpēc, ka elektroni, atgrūžot viens otru, mēdz nonākt uz ķermeņa virsmas.

Ķermeņa A laukā ievietojam neuzlādētu ķermeni B, kas arī izolēts no apkārtējiem objektiem. Tad uz ķermeņa B virsmas parādīsies elektriskie lādiņi, bet uz ķermeņa A vērstās puses lādiņš, kas ir pretējs ķermeņa A lādiņam ( pozitīvs ), bet otrā pusē - lādiņš ar tādu pašu nosaukumu kā ķermeņa A lādiņš (negatīvs). Šādi sadalītie elektriskie lādiņi paliek uz ķermeņa B virsmas, kamēr tas atrodas ķermeņa A laukā. Ja ķermenis B tiek izņemts no lauka vai ķermenis A tiek noņemts, tad elektriskais lādiņš uz ķermeņa B virsmas tiek neitralizēts. Šo elektrifikācijas metodi no attāluma sauc par elektrostatisko indukciju vai elektrifikāciju ar ietekmi.

Elektrostatiskās indukcijas parādība

Ir acīmredzams, ka šādu ķermeņa elektrificētu stāvokli uzspiež un uztur tikai un vienīgi ķermeņa A radītā elektriskā lauka spēku darbība.

Ja mēs darīsim to pašu, kad ķermenis A ir pozitīvi uzlādēts, tad brīvie elektroni no cilvēka rokas metīsies uz ķermeni B, neitralizēs tā pozitīvo lādiņu, un ķermenis B būs negatīvi lādēts.

Jo augstāka ir ķermeņa A elektrifikācijas pakāpe, t.i., jo lielāks ir tā potenciāls, jo lielāku potenciālu var elektrificēt ar elektrostatiskās indukcijas korpusa B palīdzību.

Tādējādi mēs nonācām pie secinājuma, ka elektrostatiskās indukcijas fenomens noteiktos apstākļos ļauj uzkrāties elektrība uz vadošu ķermeņu virsmas.

Jebkurš ķermenis var tikt uzlādēts līdz noteiktai robežai, tas ir, līdz noteiktam potenciālam; potenciāla palielināšanās, pārsniedzot robežu, izraisa ķermeņa izmešanu apkārtējā atmosfērā. Dažādiem ķermeņiem ir nepieciešams atšķirīgs elektroenerģijas daudzums, lai tie sasniegtu vienu un to pašu potenciālu. Citiem vārdiem sakot, dažādi ķermeņi satur dažādus elektroenerģijas daudzumus, tas ir, tiem ir atšķirīga elektriskā jauda (vai vienkārši jauda).

Elektriskā jauda ir ķermeņa spēja saturēt noteiktu elektroenerģijas daudzumu, vienlaikus palielinot tā potenciālu līdz noteiktai vērtībai. Jo lielāks ir ķermeņa virsmas laukums, jo vairāk ķermeņa var noturēt elektrisko lādiņu.

Ja ķermenim ir bumbiņas forma, tad tā ietilpība ir tieši proporcionāla bumbiņas rādiusam. Kapacitāti mēra farados.

Farada ir tāda ķermeņa kapacitāte, kas, saņemot elektrības lādiņu kulonā, palielina savu potenciālu par vienu voltu... 1 farads = 1 000 000 mikrofaradu.

Elektriskā jauda, ​​tas ir, vadošo ķermeņu īpašība uzkrāt elektrisko lādiņu, tiek plaši izmantota elektrotehnikā. Ierīce ir balstīta uz šo īpašību elektriskie kondensatori.

Kondensatora kapacitāte

Kondensators sastāv no divām metāla plāksnēm (plāksnēm), kas izolētas viena no otras ar gaisa slāni vai citu dielektriķi (vizlu, papīru utt.).

Ja vienai no plāksnēm ir dots pozitīvs lādiņš, bet otrai ir negatīvs, tas ir, lādē tās pretēji, tad plākšņu lādiņi, savstarpēji piesaistoties, tiks turēti uz plāksnēm. Tas ļauj uz plāksnēm koncentrēt daudz vairāk elektrības nekā tad, ja tās tiktu uzlādētas attālumā viena no otras.

Tāpēc kondensators var kalpot kā ierīce, kas savās plāksnēs uzglabā ievērojamu daudzumu elektroenerģijas. Citiem vārdiem sakot, kondensators ir elektriskās enerģijas uzglabāšana.

Kondensatora kapacitāte ir vienāda ar:

C = eS / 4pl

kur C ir kapacitāte; e ir dielektriķa dielektriskā konstante; S — vienas plāksnes laukums cm2, NS — nemainīgs skaitlis (pi) vienāds ar 3,14; l — attālums starp plāksnēm cm.

No šīs formulas var redzēt, ka, palielinoties plākšņu laukumam, kondensatora jauda palielinās, un, palielinoties attālumam starp tām, tā samazinās.

Izskaidrosim šo atkarību. Jo lielāks ir plākšņu laukums, jo vairāk elektrības tās var absorbēt, un tāpēc kondensatora jauda būs lielāka.

Samazinoties attālumam starp plāksnēm, palielinās to lādiņu savstarpējā ietekme (indukcija), kas ļauj koncentrēt vairāk elektroenerģijas uz plāksnēm un līdz ar to palielināt kondensatora kapacitāti.

Tādējādi, ja mēs vēlamies iegūt lielu kondensatoru, mums ir jāņem plāksnes ar lielu laukumu un jāizolē tās ar plānu dielektrisko slāni.

Formula arī parāda, ka, palielinoties dielektriķa dielektriskajai konstantei, palielinās kondensatora kapacitāte.

Tāpēc kondensatoriem ar vienādiem ģeometriskajiem izmēriem, bet kas satur dažādus dielektriķus, ir atšķirīga kapacitāte.

Ja, piemēram, ņemam kondensatoru ar gaisa dielektriķi, kura dielektriskā konstante ir vienāda ar vienotību, un starp tā plāksnēm ievietojam vizlu ar dielektrisko konstanti 5, tad kondensatora kapacitāte palielināsies 5 reizes.

Tāpēc kā dielektriķi lielas ietilpības iegūšanai tiek izmantoti tādi materiāli kā vizla, ar parafīnu piesūcināts papīrs u.c., kuru dielektriskā konstante ir daudz augstāka nekā gaisam.

Attiecīgi izšķir šādus kondensatoru veidus: gaisa, cieto dielektrisko un šķidro dielektrisko.

Kondensatora uzlāde un izlāde. Novirzes strāva

Iekļausim ķēdē nemainīgas kapacitātes kondensatoru. Novietojot slēdzi uz kontakta a, kondensators tiks iekļauts akumulatora ķēdē. Miliampermetra adata brīdī, kad kondensators ir pievienots ķēdei, novirzīsies un pēc tam kļūs par nulli.

Līdzstrāvas kondensators

Tāpēc elektriskā strāva šķērsoja ķēdi noteiktā virzienā. Ja slēdzis tagad ir novietots uz kontakta b (ti, aizveriet plāksnes), miliammetra adata novirzīsies citā virzienā un atgriezīsies uz nulli. Tāpēc caur ķēdi gāja arī strāva, bet citā virzienā. Analizēsim šo fenomenu.

Kad kondensators tika pievienots akumulatoram, tas tika uzlādēts, tas ir, tā plāksnes saņēma vienu pozitīvu un otru negatīvu lādiņu. Norēķini turpinās līdz plkst iespējamā atšķirība starp kondensatora plāksnēm nav vienāds ar akumulatora spriegumu. Ķēdē virknē savienots miliampermetrs norāda kondensatora uzlādes strāvu, kas apstājas uzreiz pēc kondensatora uzlādes.

Kad kondensators tika atvienots no akumulatora, tas palika uzlādēts, un potenciālā starpība starp tā plāksnēm bija vienāda ar akumulatora spriegumu.

Taču, tiklīdz kondensators tika aizvērts, tas sāka izlādēties un izlādes strāva gāja caur ķēdi, bet jau virzienā, kas ir pretējs lādēšanas strāvai. Tas turpinās, līdz izzūd potenciālā starpība starp plāksnēm, tas ir, līdz kondensators izlādējas.

Tāpēc, ja kondensators ir iekļauts līdzstrāvas ķēdē, strāva ķēdē plūdīs tikai kondensatora uzlādes laikā, un turpmāk ķēdē nebūs strāvas, jo ķēde tiks pārtraukta ar dielektriķi. no kondensatora.

Tāpēc viņi saka, ka "kondensators nelaiž cauri līdzstrāvu".

Elektroenerģijas daudzums (Q), ko var koncentrēt uz kondensatora plāksnēm, tā kapacitāte (C) un kondensatoram pievadītā sprieguma vērtība (U) ir saistīta ar šādu sakarību: Q = CU.

Šī formula parāda, ka jo lielāka ir kondensatora jauda, ​​jo vairāk elektrības var koncentrēt uz to, būtiski nepalielinot spriegumu uz tā plāksnēm.

Palielinot līdzstrāvas kapacitātes spriegumu, palielinās arī kondensatora uzkrātās elektroenerģijas daudzums. Taču, ja kondensatora plāksnēm tiek pielikts liels spriegums, tad kondensators var tikt "salauzts", tas ir, šī sprieguma iedarbībā dielektriķis kādā vietā sabruks un laidīs caur to strāvu. Šajā gadījumā kondensators pārtrauks darboties. Lai izvairītos no kondensatoru bojājumiem, tie norāda pieļaujamā darba sprieguma vērtību.

Dielektriskās polarizācijas fenomens

Tagad analizēsim, kas notiek dielektrikā, kad kondensators tiek uzlādēts un izlādēts, un kāpēc kapacitātes vērtība ir atkarīga no dielektriskās konstantes?

Atbilde uz šo jautājumu sniedz mums matērijas struktūras elektronisko teoriju.

Dielektrikā, tāpat kā jebkurā izolatorā, brīvu elektronu nav. Dielektriķa atomos elektroni ir cieši saistīti ar serdi, tāpēc uz kondensatora plāksnēm pieliktais spriegums tā dielektrikā neizraisa elektronu virziena kustību, t.i. elektriskā strāva, tāpat kā vadu gadījumā.

Tomēr uzlādēto plākšņu radīto elektriskā lauka spēku ietekmē elektroni, kas griežas ap atoma kodolu, tiek pārvietoti uz pozitīvi lādētu kondensatora plāksni. Tajā pašā laikā atoms tiek izstiepts lauka līniju virzienā.Šo dielektrisko atomu stāvokli sauc par polarizētu, un pašu parādību sauc par dielektrisko polarizāciju.

Kad kondensators ir izlādējies, dielektriķa polarizētais stāvoklis tiek izjaukts, tas ir, polarizācijas izraisītā elektronu nobīde attiecībā pret kodolu pazūd un atomi atgriežas ierastajā nepolarizētajā stāvoklī. Tika konstatēts, ka dielektriķa klātbūtne vājina lauku starp kondensatora plāksnēm.

Dažādi dielektriķi viena un tā paša elektriskā lauka iedarbībā polarizējas dažādās pakāpēs. Jo vieglāk dielektriķis tiek polarizēts, jo vairāk tas vājina lauku. Piemēram, gaisa polarizācija rada mazāku lauka vājināšanos nekā jebkura cita dielektriķa polarizācija.

Bet lauka vājināšanās starp kondensatora plāksnēm ļauj koncentrēt uz tām lielāku elektroenerģijas daudzumu Q ar tādu pašu spriegumu U, kas savukārt palielina kondensatora kapacitāti, jo C = Q / U .

Tātad mēs nonācām pie secinājuma - jo lielāka ir dielektriskā dielektriskā konstante, jo lielāka ir kondensatora kapacitāte, kas satur šo dielektriķi savā sastāvā.

Elektronu nobīde dielektriķa atomos, kas notiek, kā jau teicām, elektriskā lauka spēku iedarbībā, dielektrikā veidojas lauka darbības pirmajā brīdī elektrisks. strāva Tiek saukta par novirzes strāvu... Tā ir nosaukta tāpēc, ka atšķirībā no vadīšanas strāvas metāliskajos vados pārvietošanās strāvu ģenerē tikai elektronu nobīde, kas pārvietojas to atomos.

Šīs novirzes strāvas klātbūtne liek kondensatoram, kas savienots ar maiņstrāvas avotu, kļūst par tā vadītāju.

Skatīt arī par šo tēmu: Elektriskais un magnētiskais lauks: kādas ir atšķirības?

Elektriskā lauka galvenie raksturlielumi un vides galvenie elektriskie raksturlielumi (pamattermini un definīcijas)

Elektriskā lauka stiprums

Vektora lielums, kas raksturo elektriskā lauka spēka iedarbību uz elektriski lādētiem ķermeņiem un daļiņām, kas ir vienāds ar spēka attiecības robežu, ar kādu elektriskais lauks iedarbojas uz stacionāru punktveida lādētu ķermeni, kas ievadīts attiecīgajā lauka punktā. šī ķermeņa lādiņš, kad šim lādiņam ir tendence uz nulli un kura virziens tiek pieņemts, ka tas sakrīt ar virzienu, kāds spēks iedarbojas uz pozitīvi lādētu punktveida ķermeni.

Elektriskā lauka līnija

Līnija jebkurā punktā, kuras tangente tai sakrīt ar elektriskā lauka intensitātes vektora virzienu.

Elektriskā polarizācija

Vielas stāvoklis, ko raksturo fakts, ka šīs vielas noteiktā tilpuma elektriskā momenta vērtība atšķiras no nulles.

Elektrovadītspēja

Vielas īpašība laika nemainās elektriskā lauka ietekmē vadīt elektrisko strāvu, kas laikā nemainās.

Dielektrisks

Viela, kuras galvenā elektriskā īpašība ir spēja polarizēties elektriskā laukā un kurā ir iespējama elektrostatiskā lauka pastāvēšana ilgtermiņā.

Vadoša viela

Viela, kuras galvenā elektriskā īpašība ir elektrovadītspēja.

Direktors

Vadošs ķermenis.

Pusvadītāja viela (pusvadītājs)

Viela, kuras elektrovadītspēja ir starpposms starp vadošu vielu un dielektriķi un kuras atšķirīgās īpašības ir: izteikta elektriskās vadītspējas atkarība no temperatūras; elektriskās vadītspējas izmaiņas, pakļaujot elektriskajam laukam, gaismai un citiem ārējiem faktoriem; tā elektrovadītspējas būtiska atkarība no ievadīto piemaisījumu daudzuma un rakstura, kas ļauj pastiprināt un koriģēt elektrisko strāvu, kā arī pārveidot dažus enerģijas veidus elektroenerģijā.

Polarizācija (polarizācijas intensitāte)

Vektora lielums, kas raksturo dielektriķa elektriskās polarizācijas pakāpi, kas vienāds ar noteikta dielektriķa tilpuma elektriskā momenta attiecības robežu ar šo tilpumu, kad pēdējam ir tendence uz nulli.

Elektriskā konstante

Skalārais lielums, kas raksturo elektrisko lauku dobumā, kas vienāds ar kopējā elektriskā lādiņa, kas atrodas noteiktā slēgtā virsmā, attiecību pret elektriskā lauka intensitātes vektora plūsmu caur šo virsmu tukšumā.

Absolūtā dielektriskā jutība

Skalārais lielums, kas raksturo dielektriķa īpašību būt polarizētam elektriskā masā, vienāds ar polarizācijas lieluma attiecību pret elektriskā lauka intensitātes lielumu.

Dielektriskā jutība

Absolūtās dielektriskās jutības attiecība aplūkotajā dielektriķa punktā pret elektrisko konstanti.

Elektriskā nobīde

Vektora lielums, kas vienāds ar elektriskā lauka intensitātes ģeometrisko summu attiecīgajā punktā, kas reizināts ar elektrisko konstanti un polarizāciju tajā pašā punktā.

Absolūtā dielektriskā konstante

Skalārais lielums, kas raksturo dielektriķa elektriskās īpašības un ir vienāds ar elektriskās nobīdes lieluma attiecību pret elektriskā lauka sprieguma lielumu.

Dielektriskā konstante

Absolūtās dielektriskās konstantes attiecība aplūkotajā dielektriķa punktā pret elektrisko konstanti.

Nobīdes elektropārvades līnija

Līnija, kuras katrā punktā pieskares tai sakrīt ar elektriskās nobīdes vektora virzienu.

Elektrostatiskā indukcija

Elektrisko lādiņu indukcijas parādība uz vadoša ķermeņa ārējā elektrostatiskā lauka ietekmē.

Stacionārs elektriskais lauks

Elektrisko strāvu elektriskais lauks, kas laikā nemainās, ja strāvu nesošie vadītāji ir nekustīgi.

Potenciālais elektriskais lauks

Elektriskais lauks, kurā elektriskā lauka intensitātes vektora rotors visur ir vienāds ar nulli.

Virpuļveida elektriskais lauks

Elektriskais lauks, kurā intensitātes vektora rotors ne vienmēr ir vienāds ar nulli.

Elektrisko potenciālu atšķirība divos punktos

Skalārais lielums, kas raksturo potenciālo elektrisko lauku un ir vienāds ar šī lauka spēku darba attiecības robežu, kad pozitīvi lādēts punktveida ķermenis tiek pārnests no viena lauka punkta uz citu, uz šī ķermeņa lādiņu. , kad ķermeņa lādiņš tiecas uz nulli (citādi: vienāds ar elektriskā lauka intensitātes līnijas integrāli no viena dotā punkta uz otru).

Elektriskais potenciāls noteiktā punktā

Atšķirība starp noteikta punkta un cita noteikta, bet patvaļīgi izvēlēta punkta elektriskajiem potenciāliem.

Viena vadītāja elektriskā kapacitāte

Skalārais lielums, kas raksturo vadītāja spēju uzkrāt elektrisko lādiņu, kas vienāds ar vadītāja lādiņa attiecību pret tā potenciālu, pieņemot, ka visi pārējie vadītāji atrodas bezgalīgā attālumā un bezgalīgi attālā punkta potenciāls tiek pieņemts kā nulle.

Elektriskā kapacitāte starp diviem atsevišķiem vadītājiem

Skalārā vērtība, kas vienāda ar absolūto vērtību viena vadītāja elektriskā lādiņa attiecībai pret divu vadītāju elektrisko potenciālu starpību, ja šiem vadītājiem ir vienāds lielums, bet pretēja zīme un ka visi pārējie vadītāji atrodas bezgalīgi tālu.

Kondensators

Sistēma no diviem vadītājiem (plāksnēm), kas atdalīti ar dielektriķi, kas paredzēti, lai izmantotu kapacitāti starp diviem vadītājiem.

Kondensatora kapacitāte

Absolūtā vērtība elektriskā lādiņa attiecībai uz vienas no kondensatora plāksnēm un potenciālo starpību starp tām, ja plāksnēm ir vienāda lieluma lādiņi un pretējā zīme.

Kapacitāte starp diviem vadītājiem vadu sistēmā (daļēja kapacitāte)

Viena no vadītāju sistēmā iekļautā vadītāja elektriskā lādiņa attiecības absolūtā vērtība pret potenciālu starpību starp to un citu vadītāju, ja visiem vadītājiem, izņemot pēdējo, ir vienāds potenciāls; ja zemējums ir iekļauts aplūkotajā vadu sistēmā, tad tā potenciāls tiek ņemts par nulli.

Trešās puses elektriskais lauks

Termisko procesu, ķīmisko reakciju, kontakta parādību, mehānisko spēku un citu neelektromagnētisko (makroskopiskajā izmeklēšanā) procesu radītais lauks; raksturīga spēcīga ietekme uz lādētām daļiņām un ķermeņiem, kas atrodas apgabalā, kur pastāv šis lauks.

Inducētais elektriskais lauks

Elektriskais lauks, ko izraisa laikā mainīgs magnētiskais lauks.

Elektromotora spēks E.d.S.

Skalārais lielums, kas raksturo ārēja un inducētā elektriskā lauka spēju inducēt elektrisko strāvu, kas vienāda ar ārējā un inducētā elektriskā lauka stipruma lineāro integrāli starp diviem punktiem gar aplūkojamo ceļu vai gar aplūkojamo slēgto ķēdi.

spriegums

Skalārais lielums, kas vienāds ar iegūtā elektriskā lauka (elektrostatiskā, stacionārā, ārējā, induktīvā) stipruma lineāro integrāli starp diviem punktiem aplūkotajā ceļā.