Medan elektrik, aruhan elektrostatik, kemuatan dan kapasitor

Konsep medan elektrik

Daya medan elektrik diketahui bertindak dalam ruang di sekeliling cas elektrik. Banyak eksperimen pada badan bercas mengesahkan ini sepenuhnya. Ruang di sekeliling mana-mana jasad bercas ialah medan elektrik di mana daya elektrik bertindak.

Arah daya medan dipanggil garis medan elektrik. Oleh itu, secara amnya diterima bahawa medan elektrik ialah himpunan garis daya.

Garis medan mempunyai sifat tertentu:

• garisan daya sentiasa meninggalkan jasad bercas positif dan memasuki jasad bercas negatif;

• mereka keluar ke semua arah berserenjang dengan permukaan badan bercas dan memasukinya secara berserenjang;

• garisan daya dua jasad yang sama bercas seolah-olah menolak antara satu sama lain, dan jasad bercas bertentangan menarik.

Garisan daya medan elektrik sentiasa terbuka apabila ia pecah pada permukaan jasad bercas.Badan bercas elektrik berinteraksi: cas bertentangan menarik dan sama menolak.

Jasad bercas elektrik (zarah) dengan cas q1 dan q2 berinteraksi antara satu sama lain dengan daya F, iaitu kuantiti vektor dan diukur dalam newton (N). Badan dengan cas bertentangan menarik antara satu sama lain dan dengan cas yang serupa menolak antara satu sama lain.

Daya tarikan atau tolakan bergantung pada magnitud cas pada jasad dan jarak antaranya.

Jasad bercas dipanggil titik jika dimensi linearnya kecil berbanding jarak r antara jasad. Magnitud daya interaksi F bergantung pada magnitud cas q1 dan q2, jarak r antara mereka dan persekitaran di mana cas elektrik berada.

Jika tiada udara dalam ruang antara jasad, tetapi beberapa dielektrik lain, iaitu bukan konduktor elektrik, maka daya interaksi antara jasad akan berkurangan.

Nilai yang mencirikan sifat-sifat dielektrik dan menunjukkan berapa kali daya interaksi antara cas akan meningkat jika dielektrik tertentu digantikan oleh udara dipanggil kebolehtelapan relatif bagi dielektrik tertentu.

Pemalar dielektrik adalah sama dengan: untuk udara dan gas - 1; untuk ebonit - 2 - 4; untuk mika 5 — 8; untuk minyak 2 - 5; untuk kertas 2 - 2.5; untuk parafin - 2 - 2.6.

Medan elektrostatik dua jasad bercas: a — tala dicas dengan nama yang sama, b — jasad dicas secara berbeza

Aruhan elektrostatik

Jika jasad pengalir A dengan bentuk sfera, diasingkan daripada objek sekeliling, diberi cas elektrik negatif, iaitu, untuk mencipta lebihan elektron di dalamnya, maka cas ini akan teragih sama rata ke atas permukaan badan.Ini kerana elektron, menolak antara satu sama lain, cenderung untuk datang ke permukaan badan.

Kami meletakkan jasad B yang tidak bercas, juga diasingkan daripada objek sekeliling, dalam medan jasad A. Kemudian cas elektrik akan muncul pada permukaan jasad B, dan pada sisi menghadap badan A, cas bertentangan dengan cas badan A ( positif ), dan di sisi lain - caj dengan nama yang sama dengan caj badan A (negatif). Caj elektrik yang diagihkan itu kekal pada permukaan jasad B semasa berada dalam medan jasad A. Jika jasad B dialihkan dari medan atau jasad A dialihkan, maka cas elektrik pada permukaan jasad B dinetralkan. Kaedah elektrifikasi pada jarak ini dipanggil aruhan elektrostatik atau elektrifikasi melalui pengaruh.

Fenomena aruhan elektrostatik

Adalah jelas bahawa keadaan badan elektrik sedemikian dipaksa dan dikekalkan secara eksklusif oleh tindakan daya medan elektrik yang dicipta oleh badan A.

Jika kita melakukan perkara yang sama apabila jasad A bercas positif, maka elektron bebas dari tangan seseorang akan bergegas ke jasad B, meneutralkan cas positifnya, dan jasad B akan bercas negatif.

Semakin tinggi tahap elektrifikasi badan A, iaitu semakin besar potensinya, semakin besar potensi boleh dielektrikkan melalui badan aruhan elektrostatik B.

Oleh itu kami sampai pada kesimpulan bahawa fenomena induksi elektrostatik memungkinkan dalam keadaan tertentu untuk terkumpul elektrik pada permukaan badan konduktif.

Mana-mana badan boleh dicaj pada had tertentu, iaitu pada potensi tertentu; pertambahan potensi melebihi had menyebabkan badan terkeluar ke atmosfera sekeliling. Badan yang berbeza memerlukan jumlah elektrik yang berbeza untuk membawanya kepada potensi yang sama. Dalam erti kata lain, badan yang berbeza mengandungi jumlah elektrik yang berbeza, iaitu, ia mempunyai kapasiti elektrik yang berbeza (atau hanya kapasiti).

Kapasiti elektrik ialah keupayaan badan untuk mengandungi sejumlah elektrik sambil meningkatkan potensinya kepada nilai tertentu. Lebih besar luas permukaan badan, lebih banyak cas elektrik yang boleh ditahan oleh badan.

Jika badan mempunyai bentuk bola, maka kapasitinya adalah berkadar terus dengan jejari bola. Kapasitansi diukur dalam farad.

Farada ialah kapasiti badan sedemikian yang, selepas menerima cas elektrik dalam loket, meningkatkan potensinya sebanyak satu volt... 1 farad = 1,000,000 mikrofarad.

Kapasiti elektrik, iaitu, harta badan konduktif untuk mengumpul cas elektrik dalam diri mereka, digunakan secara meluas dalam kejuruteraan elektrik. Peranti ini berdasarkan harta ini kapasitor elektrik.

Kapasitan pemuat

Kapasitor terdiri daripada dua plat logam (plat), diasingkan antara satu sama lain dengan lapisan udara atau dielektrik lain (mika, kertas, dll.).

Jika salah satu plat diberi cas positif dan satu lagi negatif, iaitu, mengecasnya secara bertentangan, maka cas plat, saling menarik, akan dipegang pada plat. Ini membolehkan lebih banyak tenaga elektrik tertumpu pada plat berbanding jika ia dicas pada jarak antara satu sama lain.

Oleh itu, kapasitor boleh berfungsi sebagai peranti yang menyimpan sejumlah besar elektrik dalam platnya. Dengan kata lain, kapasitor ialah simpanan tenaga elektrik.

Kapasiti pemuat adalah sama dengan:

C = eS / 4pl

di mana C ialah kemuatan; e ialah pemalar dielektrik bagi dielektrik; S - luas satu plat dalam cm2, NS - nombor malar (pi) sama dengan 3.14; l — jarak antara plat dalam cm.

Daripada formula ini, dapat dilihat bahawa apabila luas plat meningkat, kapasiti kapasitor meningkat, dan apabila jarak antara mereka meningkat, ia berkurangan.

Mari kita jelaskan pergantungan ini. Lebih besar kawasan plat, lebih banyak elektrik yang boleh diserap dan oleh itu kapasiti kapasitor akan lebih besar.

Apabila jarak antara plat berkurangan, pengaruh bersama (aruhan) antara casnya meningkat, yang memungkinkan untuk menumpukan lebih banyak elektrik pada plat dan, oleh itu, meningkatkan kapasiti kapasitor.

Oleh itu, jika kita ingin mendapatkan kapasitor yang besar, kita perlu mengambil plat dengan kawasan yang besar dan melindunginya dengan lapisan dielektrik nipis.

Formula juga menunjukkan bahawa apabila pemalar dielektrik dielektrik meningkat, kapasitansi kapasitor meningkat.

Oleh itu, kapasitor dengan dimensi geometri yang sama tetapi mengandungi dielektrik yang berbeza mempunyai kemuatan yang berbeza.

Jika, sebagai contoh, kita mengambil kapasitor dengan dielektrik udara yang pemalar dielektriknya sama dengan perpaduan, dan meletakkan mika dengan pemalar dielektrik 5 di antara platnya, maka kapasitansi kapasitor akan meningkat sebanyak 5 kali.

Oleh itu, bahan seperti mika, kertas yang diresapi dengan parafin, dsb., yang pemalar dielektriknya jauh lebih tinggi daripada udara, digunakan sebagai dielektrik untuk mendapatkan kapasiti yang besar.

Sehubungan itu, jenis kapasitor berikut dibezakan: udara, dielektrik pepejal dan dielektrik cecair.

Mengecas dan menyahcas kapasitor. Arus berat sebelah

Mari kita masukkan kapasitor dengan kapasitans malar dalam litar. Dengan meletakkan suis pada kenalan a, kapasitor akan dimasukkan ke dalam litar bateri. Jarum miliammeter pada masa apabila kapasitor disambungkan ke litar akan menyimpang dan kemudian menjadi sifar.

Kapasitor DC

Oleh itu, arus elektrik melalui litar ke arah tertentu. Jika suis kini diletakkan pada sesentuh b (iaitu, tutup plat), maka jarum miliammeter akan terpesong ke arah lain dan kembali kepada sifar. Oleh itu, arus juga melalui litar, tetapi dalam arah yang berbeza. Mari analisa fenomena ini.

Apabila kapasitor disambungkan ke bateri, ia dicas, iaitu, platnya menerima satu cas positif dan satu lagi negatif. Pengebilan berterusan sehingga perbezaan potensi antara plat kapasitor tidak sama dengan voltan bateri. Satu miliammeter yang disambungkan secara bersiri dalam litar menunjukkan arus pengecasan kapasitor, yang berhenti serta-merta selepas kapasitor dicas.

Apabila kapasitor diputuskan sambungan daripada bateri, ia kekal dicas, dan perbezaan potensi antara platnya adalah sama dengan voltan bateri.

Walau bagaimanapun, sebaik sahaja kapasitor ditutup, ia mula dilepaskan dan arus nyahcas melalui litar, tetapi sudah ke arah yang bertentangan dengan arus cas. Ini berterusan sehingga beza keupayaan antara plat hilang, iaitu, sehingga kapasitor dinyahcas.

Oleh itu, jika kapasitor dimasukkan ke dalam litar DC, arus akan mengalir dalam litar hanya pada masa mengecas kapasitor, dan pada masa akan datang tidak akan ada arus dalam litar, kerana litar akan dipecahkan oleh dielektrik. daripada kapasitor.

Itulah sebabnya mereka mengatakan bahawa «Kapasitor tidak melepasi arus terus».

Jumlah tenaga elektrik (Q) yang boleh tertumpu pada plat pemuat, kapasitinya (C) dan nilai voltan yang dibekalkan kepada pemuat (U) dikaitkan dengan hubungan berikut: Q = CU.

Formula ini menunjukkan bahawa lebih besar kapasiti kapasitor, lebih banyak tenaga elektrik boleh tertumpu padanya tanpa meningkatkan voltan pada platnya dengan ketara.

Meningkatkan voltan kemuatan DC juga meningkatkan jumlah elektrik yang disimpan oleh kapasitor. Walau bagaimanapun, jika voltan besar digunakan pada plat kapasitor, maka kapasitor boleh "pecah", iaitu, di bawah tindakan voltan ini, dielektrik akan runtuh di beberapa tempat dan membiarkan arus melaluinya. Dalam kes ini, kapasitor akan berhenti berfungsi. Untuk mengelakkan kerosakan pada kapasitor, mereka menunjukkan nilai voltan operasi yang dibenarkan.

Fenomena polarisasi dielektrik

Marilah kita menganalisis apa yang berlaku dalam dielektrik apabila kapasitor dicas dan dinyahcas dan mengapa nilai kapasitansi bergantung pada pemalar dielektrik?

Jawapan kepada soalan ini memberi kita teori elektronik tentang struktur jirim.

Dalam dielektrik, seperti dalam mana-mana penebat, tiada elektron bebas. Dalam atom dielektrik, elektron terikat ketat pada teras, oleh itu voltan yang digunakan pada plat kapasitor tidak menyebabkan pergerakan arah elektron dalam dielektriknya, i.e. arus elektrik, seperti dalam kes wayar.

Walau bagaimanapun, di bawah tindakan daya medan elektrik yang dicipta oleh plat bercas, elektron yang beredar mengelilingi nukleus atom disesarkan ke arah plat kapasitor bercas positif. Pada masa yang sama, atom diregangkan ke arah garis medan. Keadaan atom dielektrik ini dipanggil terkutub, dan fenomena itu sendiri dipanggil polarisasi dielektrik.

Apabila kapasitor dinyahcas, keadaan terkutub dielektrik rosak, iaitu, anjakan elektron berbanding nukleus yang disebabkan oleh polarisasi hilang dan atom kembali ke keadaan biasa tidak terkutub. Didapati bahawa kehadiran dielektrik melemahkan medan antara plat kapasitor.

Dielektrik yang berbeza di bawah tindakan medan elektrik yang sama terpolarisasi kepada darjah yang berbeza. Lebih mudah dielektrik terpolarisasi, lebih banyak ia melemahkan medan. Polarisasi udara, sebagai contoh, menghasilkan lebih sedikit kelemahan medan daripada polarisasi mana-mana dielektrik lain.

Tetapi kelemahan medan antara plat kapasitor membolehkan anda menumpukan pada mereka lebih banyak tenaga Q pada voltan U yang sama, yang seterusnya membawa kepada peningkatan kapasiti kapasitor, kerana C = Q / U .

Jadi kami sampai pada kesimpulan - semakin besar pemalar dielektrik dielektrik, semakin besar kapasiti kapasitor yang mengandungi dielektrik ini dalam komposisinya.

Anjakan elektron dalam atom dielektrik, yang berlaku, seperti yang telah kita katakan, di bawah tindakan kuasa medan elektrik, terbentuk dalam dielektrik, pada saat pertama tindakan medan, elektrik arus .Dipanggil arus pesongan... Ia dinamakan sedemikian kerana tidak seperti arus pengaliran dalam wayar logam, arus sesaran hanya dihasilkan oleh sesaran elektron yang bergerak dalam atomnya.

Kehadiran arus pincang ini menyebabkan kapasitor yang disambungkan kepada punca AC menjadi konduktornya.

Lihat juga mengenai topik ini: Medan Elektrik dan Magnet: Apakah Perbezaannya?

Ciri utama medan elektrik dan ciri elektrik utama medium (istilah dan definisi asas)

Kekuatan medan elektrik

Kuantiti vektor yang mencirikan tindakan daya medan elektrik pada jasad dan zarah bercas elektrik, sama dengan had nisbah daya yang medan elektrik bertindak ke atas jasad bercas titik pegun yang dimasukkan pada titik medan yang dipertimbangkan ke cas jasad ini apabila cas ini cenderung kepada sifar dan arahnya diandaikan bertepatan dengan arah daya yang bertindak ke atas jasad titik bercas positif.

Garis medan elektrik

Garis pada mana-mana titik yang tangennya bertepatan dengan arah vektor kekuatan medan elektrik.

polarisasi elektrik

Keadaan jirim yang dicirikan oleh fakta bahawa momen elektrik isipadu tertentu bahan itu mempunyai nilai selain sifar.

Kekonduksian elektrik

Sifat bahan untuk mengalir, di bawah pengaruh medan elektrik yang tidak berubah dalam masa, arus elektrik yang tidak berubah dalam masa.

Dielektrik

Bahan yang sifat elektrik utamanya adalah keupayaan untuk mempolarisasi dalam medan elektrik dan di mana kewujudan jangka panjang medan elektrostatik adalah mungkin.

Bahan pengalir

Bahan yang sifat elektrik utamanya ialah kekonduksian elektrik.

Pengarah

Badan konduktif.

Bahan semikonduktor (semikonduktor)

Bahan yang kekonduksian elektriknya adalah perantaraan antara bahan konduktif dan dielektrik dan sifat membezakannya ialah: pergantungan ketara kekonduksian elektrik pada suhu; perubahan dalam kekonduksian elektrik apabila terdedah kepada medan elektrik, cahaya dan faktor luaran lain; pergantungan ketara kekonduksian elektriknya pada jumlah dan sifat kekotoran yang diperkenalkan, yang memungkinkan untuk menguatkan dan membetulkan arus elektrik, serta menukar beberapa jenis tenaga kepada elektrik.

Polarisasi (keamatan polarisasi)

Kuantiti vektor yang mencirikan tahap polarisasi elektrik dielektrik, sama dengan had nisbah momen elektrik bagi isipadu tertentu dielektrik kepada isipadu ini apabila yang terakhir cenderung kepada sifar.

Pemalar elektrik

Kuantiti skalar yang mencirikan medan elektrik dalam rongga, sama dengan nisbah jumlah cas elektrik yang terkandung dalam permukaan tertutup tertentu kepada aliran vektor kekuatan medan elektrik melalui permukaan ini dalam lompang.

Kecenderungan dielektrik mutlak

Kuantiti skalar yang mencirikan sifat dielektrik untuk dikutubkan dalam jisim elektrik, sama dengan nisbah magnitud polarisasi kepada magnitud kekuatan medan elektrik.

Kepekaan dielektrik

Nisbah kerentanan dielektrik mutlak pada titik dielektrik yang dipertimbangkan kepada pemalar elektrik.

Anjakan elektrik

Kuantiti vektor sama dengan jumlah geometri kekuatan medan elektrik pada titik yang dipertimbangkan didarab dengan pemalar elektrik dan polarisasi pada titik yang sama.

Pemalar dielektrik mutlak

Kuantiti skalar yang mencirikan sifat elektrik dielektrik dan sama dengan nisbah magnitud sesaran elektrik kepada magnitud voltan medan elektrik.

Pemalar dielektrik

Nisbah pemalar dielektrik mutlak pada titik dielektrik yang dipertimbangkan kepada pemalar elektrik.

Talian kuasa anjakan

Garis pada setiap titik yang tangen kepadanya bertepatan dengan arah vektor anjakan elektrik.

Aruhan elektrostatik

Fenomena aruhan cas elektrik pada badan konduktif di bawah pengaruh medan elektrostatik luaran.

Medan elektrik pegun

Medan elektrik arus elektrik yang tidak berubah mengikut masa, dengan syarat konduktor pembawa arus adalah pegun.

Medan elektrik berpotensi

Medan elektrik di mana pemutar vektor kekuatan medan elektrik berada di mana-mana bersamaan dengan sifar.

Medan elektrik pusar

Medan elektrik di mana pemutar vektor keamatan tidak selalu sama dengan sifar.

Perbezaan potensi elektrik pada dua titik

Kuantiti skalar yang mencirikan medan elektrik berpotensi, sama dengan had nisbah kerja daya medan ini, apabila jasad titik bercas positif dipindahkan dari satu titik medan ke titik lain, kepada cas jasad ini , apabila cas badan cenderung kepada sifar (jika tidak: sama dengan kamiran garisan kekuatan medan elektrik dari satu titik tertentu ke titik lain).

Potensi elektrik pada titik tertentu

Perbezaan antara potensi elektrik suatu titik dengan titik lain, ditentukan tetapi dipilih secara sewenang-wenangnya.

Kemuatan elektrik bagi satu konduktor

Kuantiti skalar yang mencirikan keupayaan konduktor untuk mengumpul cas elektrik, sama dengan nisbah cas konduktor kepada potensinya, dengan mengandaikan bahawa semua konduktor lain adalah jauh tak terhingga dan potensi titik jauh tak terhingga diandaikan sifar.

Kapasiti elektrik antara dua konduktor tunggal

Nilai skalar yang sama dengan nilai mutlak nisbah cas elektrik pada satu konduktor kepada perbezaan potensi elektrik dua konduktor, dengan syarat bahawa konduktor ini mempunyai magnitud yang sama tetapi bertentangan dalam tanda dan semua konduktor lain adalah jauh tidak terhingga.

Pemeluwap

Sistem dua konduktor (plat) yang dipisahkan oleh dielektrik yang direka untuk menggunakan kapasitansi antara dua konduktor.

Kapasitan pemuat

Nilai mutlak nisbah cas elektrik pada salah satu plat kapasitor kepada beza keupayaan antara mereka, dengan syarat bahawa plat mempunyai cas yang sama magnitud dan bertentangan dalam tanda.

Kapasitansi antara dua konduktor dalam sistem wayar (kapasitans separa)

Nilai mutlak nisbah cas elektrik salah satu konduktor yang termasuk dalam sistem konduktor kepada beza keupayaan antaranya dan konduktor lain, jika semua konduktor, kecuali yang kedua, mempunyai potensi yang sama; jika tanah termasuk dalam sistem wayar yang dipertimbangkan, maka potensinya diambil sebagai sifar.

Medan elektrik pihak ketiga

Medan yang disebabkan oleh proses haba, tindak balas kimia, fenomena sentuhan, daya mekanikal dan proses bukan elektromagnet (dalam pemeriksaan makroskopik) lain; dicirikan oleh kesan kuat pada zarah dan jasad bercas yang terletak di kawasan di mana medan ini wujud.

Medan elektrik teraruh

Medan elektrik yang disebabkan oleh medan magnet yang berubah-ubah masa.

Daya gerak elektrik E. d. S.

Kuantiti skalar yang mencirikan keupayaan medan elektrik luaran dan teraruh untuk mendorong arus elektrik sama dengan kamiran linear kekuatan medan elektrik luaran dan teraruh antara dua titik di sepanjang laluan yang dipertimbangkan atau di sepanjang litar tertutup yang dipertimbangkan.

voltan

Kuantiti skalar yang sama dengan kamiran linear kekuatan medan elektrik yang terhasil (elektrostatik, pegun, luaran, induktif) antara dua titik di sepanjang laluan yang dipertimbangkan.