Elektromos tér, elektrosztatikus indukció, kapacitás és kondenzátorok

Elektromos mező fogalma

Ismeretes, hogy az elektromos térerők az elektromos töltések körüli térben hatnak. Számos töltött testeken végzett kísérlet teljes mértékben megerősíti ezt. A töltött test körüli tér egy elektromos tér, amelyben elektromos erők hatnak.

A térerők irányát elektromos erővonalnak nevezzük. Ezért általánosan elfogadott, hogy az elektromos tér erővonalak halmaza.

A mezővonalak bizonyos tulajdonságokkal rendelkeznek:

• az erővonalak mindig elhagyják a pozitív töltésű testet és belépnek egy negatív töltésű testbe;

• a töltött test felületére minden irányban merőlegesen lépnek ki és merőlegesen lépnek be;

• két egyforma töltésű test erővonalai mintha taszítanák egymást, és az ellentétes töltésű testek vonzzák egymást.

Az elektromos erővonalak mindig nyitottak, amikor a töltött testek felületén megszakadnak.Az elektromosan töltött testek kölcsönhatásba lépnek: az ellentétes töltésű testek vonzzák és hasonlóan taszítják.

A q1 és q2 töltésű elektromosan töltött testek (részecskék) F erővel kölcsönhatásba lépnek egymással, ami egy vektormennyiség és newtonban (N) mérik. Az ellentétes töltésű testek vonzzák egymást, és a hasonló töltésű testek taszítják.

A vonzás vagy taszítás ereje a testeket érő töltések nagyságától és a köztük lévő távolságtól függ.

A töltött testeket pontnak nevezzük, ha lineáris méreteik kicsik a testek közötti r távolsághoz képest. F kölcsönhatási erejük nagysága függ a q1 és q2 töltések nagyságától, a köztük lévő r távolságtól és attól a környezettől, amelyben az elektromos töltések találhatók.

Ha a testek közötti térben nincs levegő, hanem valamilyen más dielektrikum, azaz elektromosság nem vezető, akkor a testek közötti kölcsönhatás ereje csökken.

Azt az értéket, amely a dielektrikum tulajdonságait jellemzi, és megmutatja, hogy a töltések közötti kölcsönhatás ereje hányszorosára nő, ha egy adott dielektrikumot levegővel helyettesítünk, egy adott dielektrikum relatív permittivitásának nevezzük.

A dielektromos állandó egyenlő: levegő és gázok esetén 1; ebonit esetében - 2 - 4; csillámhoz 5 — 8; olajhoz 2 — 5; papírra 2 — 2,5; paraffinhoz — 2 — 2,6.

Két töltött test elektrosztatikus tere: a — a talák azonos nevű, b — a testek eltérően töltődnek

Elektrosztatikus indukció

Ha egy gömb alakú, a környező tárgyaktól elszigetelt vezető A testet negatív elektromos töltést adunk, azaz elektronfelesleget hozunk létre, akkor ez a töltés egyenletesen oszlik el a test felületén.Ennek az az oka, hogy az elektronok egymást taszítva hajlamosak a test felszínére jönni.

A környező tárgyaktól szintén elszigetelt B töltetlen testet helyezzük az A test mezejébe. Ekkor a B test felületén elektromos töltések, az A test felőli oldalán pedig az A test töltésével ellentétes töltés ( pozitív ), a másik oldalon pedig az A test töltésével azonos nevű töltés (negatív). Az így eloszlatott elektromos töltések a B test felületén maradnak, amíg az az A test mezejében van. Ha a B testet eltávolítjuk a mezőből, vagy eltávolítjuk az A testet, akkor a B test felületén lévő elektromos töltés semlegesül. Ezt a távolsági villamosítási módszert elektrosztatikus indukciónak vagy hatás általi villamosításnak nevezik.

Az elektrosztatikus indukció jelensége

Nyilvánvaló, hogy a test ilyen elektromos állapotát kizárólag az A test által létrehozott elektromos tér erőinek hatása kényszeríti ki és tartja fenn.

Ha ugyanezt tesszük, amikor az A test pozitív töltésű, akkor az ember kezéből származó szabad elektronok a B testhez rohannak, semlegesítik annak pozitív töltését, és B test negatív töltésű lesz.

Minél nagyobb az A test villamosítási foka, azaz minél nagyobb a potenciálja, annál nagyobb potenciált lehet villamosítani a B elektrosztatikus indukciós test segítségével.

Így arra a következtetésre jutottunk, hogy az elektrosztatikus indukció jelensége bizonyos feltételek mellett lehetővé teszi a felhalmozódást elektromosság vezető testek felületén.

Bármely testet fel lehet tölteni egy bizonyos határig, vagyis egy bizonyos potenciálig; a potenciál határon túli növekedése a test kilökődését okozza a környező légkörbe. A különböző testeknek különböző mennyiségű villamos energiára van szükségük ahhoz, hogy ugyanazt a potenciált elérjék. Más szóval, a különböző testek különböző mennyiségű elektromosságot tartalmaznak, vagyis eltérő elektromos kapacitással (vagy egyszerűen kapacitással) rendelkeznek.

Az elektromos kapacitás egy test azon képessége, hogy egy bizonyos mennyiségű villamos energiát tartalmazzon, miközben potenciálját egy bizonyos értékre növeli. Minél nagyobb a test felülete, annál több elektromos töltést képes tartani a test.

Ha a test golyó alakú, akkor a kapacitása egyenesen arányos a labda sugarával. A kapacitást faradokban mérik.

A farada egy olyan test kapacitása, amely miután elektromos töltést kap egy függőben, egy volttal növeli a potenciálját... 1 farad = 1 000 000 mikrofarad.

Az elektromos kapacitást, vagyis a vezető testek azon tulajdonságát, hogy önmagukban elektromos töltést halmoznak fel, széles körben használják az elektrotechnikában. A készülék ezen a tulajdonságon alapul elektromos kondenzátorok.

A kondenzátor kapacitása

A kondenzátor két fémlemezből (lemezből) áll, amelyek egymástól légréteggel vagy más dielektrikummal (csillám, papír stb.) vannak elválasztva.

Ha az egyik lemez pozitív, a másik negatív töltést kap, azaz ellentétes töltést kap, akkor a lemezek töltései, kölcsönösen vonzzák egymást, a lemezeken maradnak. Ez lehetővé teszi, hogy sokkal több áram koncentrálódjon a lemezeken, mintha egymástól távol töltenék őket.

Ezért a kondenzátor olyan eszközként szolgálhat, amely jelentős mennyiségű villamos energiát tárol a lemezeiben. Más szóval, a kondenzátor elektromos energia tárolója.

A kondenzátor kapacitása egyenlő:

C = eS / 4pl

ahol C a kapacitás; e a dielektrikum dielektromos állandója; S - egy lemez területe cm2-ben, NS - állandó szám (pi) egyenlő 3,14; l — a lemezek közötti távolság cm-ben.

Ebből a képletből látható, hogy a lemezek területének növekedésével a kondenzátor kapacitása nő, és a köztük lévő távolság növekedésével csökken.

Magyarázzuk meg ezt a függőséget. Minél nagyobb a lemezek területe, annál több elektromosságot tudnak felvenni, és ezért a kondenzátor kapacitása nagyobb lesz.

A lemezek közötti távolság csökkenésével a töltéseik közötti kölcsönös hatás (indukció) növekszik, ami lehetővé teszi, hogy több elektromos áramot koncentráljanak a lemezekre, és ezáltal növeljék a kondenzátor kapacitását.

Így ha nagy kondenzátort akarunk kapni, akkor nagy felületű lemezeket kell vennünk és vékony dielektromos réteggel szigetelni.

A képlet azt is mutatja, hogy a dielektrikum dielektromos állandójának növekedésével a kondenzátor kapacitása nő.

Ezért az azonos geometriai méretű, de különböző dielektrikumokat tartalmazó kondenzátorok eltérő kapacitással rendelkeznek.

Ha például veszünk egy kondenzátort egy légdielektrikummal, amelynek dielektromos állandója egyenlő egységgel, és 5-ös dielektromos állandójú csillámot teszünk a lemezei közé, akkor a kondenzátor kapacitása 5-szörösére nő.

Ezért olyan anyagokat, mint a csillám, paraffinnal impregnált papír stb., amelyek dielektromos állandója sokkal nagyobb, mint a levegőé, dielektrikumként használják nagy kapacitás elérése érdekében.

Ennek megfelelően a következő típusú kondenzátorokat különböztetjük meg: levegő, szilárd dielektrikum és folyékony dielektrikum.

A kondenzátor töltése és kisütése. Előfeszítő áram

Vegyünk az áramkörbe egy állandó kapacitású kondenzátort. Ha a kapcsolót az a érintkezőre helyezi, a kondenzátor bekerül az akkumulátor áramkörébe. A milliampermérő tűje abban a pillanatban, amikor a kondenzátort az áramkörhöz csatlakoztatja, eltér, majd nullává válik.

DC kondenzátor

Ezért az áramkörön egy bizonyos irányban elektromos áram haladt át. Ha a kapcsolót most a b érintkezőre helyezzük (azaz zárja le a lemezeket), akkor a milliamperes tű a másik irányba elhajlik, és visszaáll nullára. Ezért áram is áthaladt az áramkörön, de más irányban. Elemezzük ezt a jelenséget.

Amikor a kondenzátort az akkumulátorra csatlakoztatták, az feltöltődött, vagyis a lemezei az egyik pozitív, a másik negatív töltést kapták. A számlázás ig tart lehetséges különbség a kondenzátorlapok között nem egyenlő az akkumulátor feszültségével. Az áramkörben sorba kapcsolt milliampermérő jelzi a kondenzátor töltőáramát, amely a kondenzátor töltése után azonnal leáll.

Amikor a kondenzátort leválasztották az akkumulátorról, az feltöltött maradt, és a lemezei közötti potenciálkülönbség megegyezett az akkumulátor feszültségével.

Azonban amint a kondenzátor bezárult, kisütni kezdett, és a kisülési áram áthaladt az áramkörön, de már a töltőárammal ellentétes irányban. Ez addig folytatódik, amíg a lemezek közötti potenciálkülönbség meg nem szűnik, vagyis amíg a kondenzátor kisül.

Ezért, ha a kondenzátor benne van az egyenáramú áramkörben, az áram csak a kondenzátor töltésekor folyik az áramkörben, és a jövőben nem lesz áram az áramkörben, mert az áramkört megszakítja a dielektrikum a kondenzátorról.

Ezért mondják, hogy "A kondenzátor nem engedi át az egyenáramot".

A kondenzátor lapjaira koncentrálható villamos energia mennyisége (Q), kapacitása (C) és a kondenzátorra betáplált feszültség értéke (U) a következő összefüggéssel függ össze: Q = CU.

Ez a képlet azt mutatja, hogy minél nagyobb a kondenzátor kapacitása, annál több villamos energiát lehet koncentrálni rá anélkül, hogy jelentősen megnőne a feszültség a lemezein.

Az egyenáramú kapacitás feszültségének növelése növeli a kondenzátor által tárolt villamos energia mennyiségét is. Ha azonban nagy feszültséget kapcsolunk a kondenzátor lapjaira, akkor a kondenzátor "eltörhet", vagyis ennek a feszültségnek a hatására a dielektrikum egy helyen összeesik, és átengedi az áramot. Ebben az esetben a kondenzátor működése megszűnik. A kondenzátorok károsodásának elkerülése érdekében jelzik a megengedett üzemi feszültség értékét.

A dielektromos polarizáció jelensége

Vizsgáljuk meg most, mi történik egy dielektrikumban, amikor egy kondenzátort töltünk és kisütünk, és miért függ a kapacitás értéke a dielektromos állandótól?

A kérdésre adott válasz megadja nekünk az anyag szerkezetének elektronikus elméletét.

A dielektrikumban, mint minden szigetelőben, nincsenek szabad elektronok. A dielektrikum atomjaiban az elektronok szorosan kötődnek a maghoz, ezért a kondenzátor lapjaira fellépő feszültség nem okoz elektronok iránymozgást a dielektrikumában, pl. elektromos áram, mint a vezetékek esetében.

A töltött lemezek által keltett elektromos térerők hatására azonban az atommag körül keringő elektronok a pozitív töltésű kondenzátorlemez felé tolódnak el. Ugyanakkor az atom a térvonalak irányába nyúlik, a dielektromos atomok ezen állapotát polarizáltnak, magát a jelenséget pedig dielektromos polarizációnak nevezzük.

A kondenzátor kisütésekor a dielektrikum polarizált állapota megtörik, vagyis megszűnik az elektronok polarizáció okozta atommaghoz viszonyított elmozdulása, és az atomok visszatérnek szokásos polarizálatlan állapotukba. Azt találták, hogy a dielektrikum jelenléte gyengíti a kondenzátor lemezei közötti mezőt.

A különböző dielektrikumok ugyanazon elektromos tér hatására különböző mértékben polarizálódnak. Minél könnyebben polarizálódik a dielektrikum, annál jobban gyengíti a mezőt. A levegő polarizációja például kisebb térgyengülést eredményez, mint bármely más dielektrikum polarizációja.

De a kondenzátor lemezei közötti mező gyengülése lehetővé teszi, hogy nagyobb mennyiségű Q elektromos áramot koncentráljon rájuk azonos U feszültség mellett, ami viszont a kondenzátor kapacitásának növekedéséhez vezet, mivel C = Q / U .

Tehát arra a következtetésre jutottunk, hogy minél nagyobb a dielektrikum dielektromos állandója, annál nagyobb a kondenzátor kapacitása, amely összetételében ezt a dielektrikumot tartalmazza.

A dielektrikum atomjaiban az elektronok elmozdulása, amely, mint már említettük, az elektromos tér erőinek hatására következik be, a dielektrikumban a mező hatásának első pillanatában elektromos Eltérítő áramnak nevezik... Azért nevezték így, mert a fémhuzalok vezetési áramától eltérően az elmozdulási áramot csak az atomjaikban mozgó elektronok elmozdulása hozza létre.

Ennek az előfeszítő áramnak a jelenléte miatt a váltakozó áramú forráshoz csatlakoztatott kondenzátor a vezetőjévé válik.

Lásd még ebben a témában: Elektromos és mágneses mező: mi a különbség?

Az elektromos tér fő jellemzői és a közeg főbb elektromos jellemzői (alapfogalmak és meghatározások)

Elektromos térerősség

Az elektromos térnek az elektromosan töltött testekre és részecskékre gyakorolt ​​erőhatását jellemző vektormennyiség, amely egyenlő annak az erőnek a határértékével, amellyel az elektromos tér a tér figyelembe vett pontjába bevitt álló, ponttöltésű testre hat. ennek a testnek a töltése, amikor ez a töltés nullára hajlik, és amelynek irányát feltételezzük, hogy egybeesik a pozitív töltésű ponttestre ható erő irányával.

Elektromos erővonal

Egy olyan vonal bármely pontban, amelynek érintője egybeesik az elektromos térerősség vektorának irányával.

Elektromos polarizáció

Az anyag halmazállapota, amelyet az jellemez, hogy az adott anyag adott térfogatának elektromos momentuma nullától eltérő értékű.

Elektromos vezetőképesség

Az anyag azon tulajdonsága, hogy időben nem változó elektromos tér hatására időben nem változó elektromos áramot vezet.

Dielektromos

Olyan anyag, amelynek fő elektromos tulajdonsága az elektromos térben való polarizáció képessége, és amelyben lehetséges az elektrosztatikus tér hosszú távú fennállása.

Vezetőképes anyag

Olyan anyag, amelynek fő elektromos tulajdonsága az elektromos vezetőképesség.

Rendező

Vezető test.

Félvezető anyag (félvezető)

Olyan anyag, amelynek elektromos vezetőképessége közbenső a vezető anyag és a dielektrikum között, és amelynek megkülönböztető tulajdonságai a következők: az elektromos vezetőképesség kifejezett függése a hőmérséklettől; az elektromos vezetőképesség változása elektromos térnek, fénynek és más külső tényezőknek kitéve; elektromos vezetőképességének jelentős függése a bejuttatott szennyeződések mennyiségétől és jellegétől, ami lehetővé teszi az elektromos áram erősítését és korrigálását, valamint egyes energiafajták elektromos árammá alakítását.

Polarizáció (polarizáció intenzitása)

A dielektrikum elektromos polarizációs fokát jellemző vektormennyiség, amely egyenlő a dielektrikum egy bizonyos térfogata elektromos nyomatékának ehhez a térfogathoz viszonyított arányának határával, amikor az utóbbi nullára hajlik.

Elektromos állandó

Egy üregben lévő elektromos teret jellemző skaláris mennyiség, amely megegyezik egy bizonyos zárt felületben lévő teljes elektromos töltés és az elektromos térerősség vektor ezen a felületen az üregben való áramlásának arányával.

Abszolút dielektromos szuszceptibilitás

A dielektrikum elektromos tömegben polarizált tulajdonságát jellemző skaláris mennyiség, amely egyenlő a polarizáció nagyságának és az elektromos térerősség nagyságának arányával.

Dielektromos érzékenység

A dielektrikum figyelembe vett pontjában az abszolút dielektromos szuszceptibilitás aránya az elektromos állandóhoz.

Elektromos elmozdulás

Egy vektormennyiség, amely egyenlő a vizsgált pont elektromos térerősségének geometriai összegével, szorozva az elektromos állandóval és az ugyanabban a pontban jelentkező polarizációval.

Abszolút dielektromos állandó

A dielektrikum elektromos tulajdonságait jellemző skaláris mennyiség, amely egyenlő az elektromos elmozdulás nagyságának és az elektromos térfeszültség nagyságának arányával.

A dielektromos állandó

A dielektrikum figyelembe vett pontjában lévő abszolút dielektromos állandó és az elektromos állandó aránya.

Kiszorításos tápvezeték

Egy egyenes, amelynek minden pontjában az érintője egybeesik az elektromos elmozdulásvektor irányával.

Elektrosztatikus indukció

Az elektromos töltések indukciójának jelensége vezető testen külső elektrosztatikus tér hatására.

Álló elektromos tér

Az elektromos áramok elektromos tere, amelyek időben nem változnak, feltéve, hogy az áramot vezető vezetők álló helyzetben vannak.

Potenciális elektromos mező

Olyan elektromos tér, amelyben az elektromos térerősség vektorának forgórésze mindenhol egyenlő nullával.

Örvényes elektromos mező

Olyan elektromos tér, amelyben az intenzitásvektor forgórésze nem mindig egyenlő nullával.

Az elektromos potenciálok különbsége két pontban

Egy potenciális elektromos teret jellemző skaláris mennyiség, amely egyenlő e tér erőinek arányának határával, amikor egy pozitív töltésű ponttestet a mező egyik adott pontjából a másikba, ennek a testnek a töltésébe viszünk át. , amikor a test töltése nullára hajlik (egyébként: egyenlő az elektromos térerősség egyenes integráljával egy adott pontból a másikba).

Elektromos potenciál egy adott pontban

Egy adott pont és egy másik, meghatározott, de önkényesen kiválasztott pont elektromos potenciáljai közötti különbség.

Egyetlen vezető elektromos kapacitása

Egy vezető elektromos töltés felhalmozási képességét jellemző skaláris mennyiség, amely egyenlő a vezető töltése és potenciálja arányával, feltételezve, hogy az összes többi vezető végtelen távolságban van, és a végtelenül távoli pont potenciálját nullának tételezzük fel.

Elektromos kapacitás két különálló vezető között

Skaláris érték, amely egyenlő az egyik vezető elektromos töltése és két vezető elektromos potenciálkülönbsége arányának abszolút értékével, feltéve, hogy ezek a vezetők azonos nagyságúak, de ellentétes előjelűek, és az összes többi vezető végtelen távolságra van.

Kondenzátor

Két vezetőből (lemezből) álló rendszer, amelyeket egy dielektrikum választ el egymástól, hogy a két vezető közötti kapacitást felhasználja.

A kondenzátor kapacitása

Az egyik kondenzátorlemezen lévő elektromos töltés és a köztük lévő potenciálkülönbség arányának abszolút értéke, feltéve, hogy a lemezek töltése azonos nagyságú és ellentétes előjelű.

Kapacitás két vezeték között egy vezetékrendszerben (részkapacitás)

A vezetőrendszerben szereplő egyik vezető elektromos töltésének és a másik vezető közötti potenciálkülönbség arányának abszolút értéke, ha az utóbbi kivételével minden vezető azonos potenciállal rendelkezik; ha a földelés beletartozik a vizsgált vezetékrendszerbe, akkor a potenciálját nullának vesszük.

Harmadik fél elektromos mezője

Termikus folyamatok, kémiai reakciók, érintkezési jelenségek, mechanikai erők és egyéb nem elektromágneses (makroszkópos vizsgálatban) folyamatok által okozott mező; erős hatás jellemzi a töltött részecskékre és azon a területen található testekre, ahol ez a mező létezik.

Indukált elektromos tér

Az időben változó mágneses tér által indukált elektromos tér.

Elektromotoros erő E.d.S.

Skaláris mennyiség, amely egy külső és indukált elektromos tér azon képességét jellemzi, hogy a külső és az indukált elektromos mező erősségének lineáris integráljával egyenlő elektromos áramot indukáljon a vizsgált út vagy a zárt áramkör két pontja között.

Feszültség

Egy skaláris mennyiség, amely megegyezik az eredő elektromos tér (elektrostatikus, álló, külső, induktív) erősségének lineáris integráljával a vizsgált út két pontja között.