Električno polje, elektrostatička indukcija, kapacitet i kondenzatori

Koncept električnog polja

Poznato je da sile električnog polja djeluju u prostoru oko električnih naboja. Brojni pokusi na nabijenim tijelima to u potpunosti potvrđuju. Prostor oko svakog nabijenog tijela je električno polje u kojem djeluju električne sile.

Smjer silnica polja nazivamo linijama električnog polja. Stoga je općenito prihvaćeno da je električno polje skup linija sila.

Linije polja imaju određena svojstva:

• linije sile uvijek izlaze iz pozitivno nabijenog tijela i ulaze u negativno nabijeno tijelo;

• izlaze u svim smjerovima okomito na površinu nabijenog tijela i ulaze u njega okomito;

• čini se da se silnice dvaju jednako nabijenih tijela odbijaju, a suprotno nabijena tijela privlače.

Silnice električnog polja uvijek su otvorene jer se lome na površini nabijenih tijela.Električno nabijena tijela međusobno djeluju: suprotno nabijena se privlače i slično odbijaju.

Električni nabijena tijela (čestice) naboja q1 i q2 međusobno djeluju silom F koja je vektorska veličina i mjeri se u newtonima (N). Tijela sa suprotnim nabojem se međusobno privlače, a sa istim nabojem odbijaju.

Sila privlačenja ili odbijanja ovisi o veličini naboja na tijelima i o udaljenosti između njih.

Nabijena tijela nazivamo točkastima ako su im linearne dimenzije male u usporedbi s udaljenosti r između tijela. Veličina njihove interakcijske sile F ovisi o veličini naboja q1 i q2, udaljenosti r između njih i okolini u kojoj se električni naboji nalaze.

Ako u prostoru između tijela nema zraka, već neki drugi dielektrik, odnosno nevodič elektriciteta, tada će se sila međudjelovanja između tijela smanjiti.

Vrijednost koja karakterizira svojstva dielektrika i pokazuje koliko će se puta povećati sila međudjelovanja između naboja ako se dani dielektrik zamijeni zrakom naziva se relativna permitivnost danog dielektrika.

Dielektrična konstanta je jednaka: za zrak i plinove - 1; za ebonit - 2 - 4; za tinjac 5 — 8; za ulje 2 — 5; za papir 2 — 2,5; za parafin — 2 — 2,6.

Elektrostatičko polje dvaju nabijenih tijela: a — tala su istoimeno nabijena, b — tijela različito nabijena

Elektrostatska indukcija

Ako se vodljivom tijelu A sferičnog oblika, izoliranom od okolnih tijela, prida negativan električni naboj, odnosno da se u njemu stvori višak elektrona, tada će taj naboj biti ravnomjerno raspoređen po površini tijela.To je zato što elektroni, odbijajući jedni druge, teže izaći na površinu tijela.

U polje tijela A postavimo nenaelektrizirano tijelo B, također izolirano od okolnih tijela. Tada će se na površini tijela B pojaviti električni naboji, a na strani prema tijelu A naboj suprotan naboju tijela A ( pozitivan ), a s druge strane - naboj istog naziva kao naboj tijela A (negativan). Tako raspoređeni električni naboji ostaju na površini tijela B dok je ono u polju tijela A. Ako se tijelo B ukloni iz polja ili ukloni tijelo A, tada se električni naboj na površini tijela B neutralizira. Ova metoda elektrifikacije na daljinu naziva se elektrostatička indukcija ili elektrifikacija utjecajem.

Fenomen elektrostatičke indukcije

Očito je da se takvo naelektrizirano stanje tijela forsira i održava isključivo djelovanjem sila električnog polja koje stvara tijelo A.

Ako isto učinimo kada je tijelo A pozitivno nabijeno, tada će slobodni elektroni iz ruke osobe pojuriti prema tijelu B, neutralizirati njegov pozitivni naboj, a tijelo B će biti negativno nabijeno.

Što je veći stupanj naelektriziranosti tijela A, odnosno što mu je veći potencijal, to se veći potencijal može naelektrizirati elektrostatskom indukcijom tijela B.

Tako smo došli do zaključka da fenomen elektrostatske indukcije omogućuje pod određenim uvjetima nakupljanje struja na površini vodljivih tijela.

Svako se tijelo može naelektrisati do određene granice, odnosno do određenog potencijala; povećanje potencijala preko granice uzrokuje izbacivanje tijela u okolnu atmosferu. Različitim tijelima potrebne su različite količine elektriciteta da bi se doveo do istog potencijala. Drugim riječima, različita tijela sadrže različite količine elektriciteta, odnosno imaju različite električne kapacitete (ili jednostavno kapacitete).

Električni kapacitet je sposobnost tijela da sadrži određenu količinu elektriciteta dok povećava svoj potencijal na određenu vrijednost. Što je veća površina tijela, to tijelo može zadržati veći električni naboj.

Ako tijelo ima oblik lopte, tada je njegov kapacitet upravno proporcionalan polumjeru lopte. Kapacitet se mjeri u faradima.

Farada je kapacitet takvog tijela koje, nakon što primi naboj elektriciteta u privjesak, poveća svoj potencijal za jedan volt... 1 farad = 1.000.000 mikrofarada.

Električni kapacitet, odnosno svojstvo vodljivih tijela da akumuliraju električni naboj u sebi, široko se koristi u elektrotehnici. Uređaj se temelji na ovom svojstvu električni kondenzatori.

Kapacitet kondenzatora

Kondenzator se sastoji od dvije metalne ploče (ploče), međusobno izolirane zračnim slojem ili drugim dielektrikom (liskun, papir itd.).

Ako jednoj od ploča damo pozitivan naboj, a drugoj negativan, odnosno nabijemo ih suprotno, tada će se naboji ploča, međusobno privlačeći, zadržati na pločama. To omogućuje da se mnogo više elektriciteta koncentrira na ploče nego da su napunjene na udaljenosti jedna od druge.

Stoga kondenzator može poslužiti kao uređaj koji u svojim pločama pohranjuje značajnu količinu električne energije. Drugim riječima, kondenzator je skladište električne energije.

Kapacitet kondenzatora jednak je:

C = eS / 4pl

gdje je C kapacitet; e je dielektrična konstanta dielektrika; S — površina jedne ploče u cm2, NS — konstantan broj (pi) jednak 3,14; l — udaljenost između ploča u cm.

Iz ove formule vidljivo je da s povećanjem površine ploča kapacitet kondenzatora raste, a s povećanjem udaljenosti između njih smanjuje se.

Objasnimo ovu ovisnost. Što je veća površina ploča, one mogu apsorbirati više električne energije i stoga će kapacitet kondenzatora biti veći.

Kako se udaljenost između ploča smanjuje, međusobni utjecaj (indukcija) između njihovih naboja raste, što omogućuje koncentriranje veće količine elektriciteta na pločama, a time i povećanje kapaciteta kondenzatora.

Dakle, ako želimo dobiti veliki kondenzator, moramo uzeti ploče velike površine i izolirati ih tankim slojem dielektrika.

Formula također pokazuje da se s povećanjem dielektrične konstante dielektrika povećava i kapacitet kondenzatora.

Stoga kondenzatori istih geometrijskih dimenzija, ali sadrže različite dielektrike, imaju različite kapacitete.

Ako, na primjer, uzmemo kondenzator sa zračnim dielektrikom čija je dielektrična konstanta jednaka jedinici, a između njegovih ploča stavimo liskun s dielektričnom konstantom 5, tada će se kapacitet kondenzatora povećati za 5 puta.

Stoga se kao dielektrici za dobivanje velikog kapaciteta koriste materijali poput tinjca, papira impregniranog parafinom itd., čija je dielektrična konstanta mnogo veća od one zraka.

Prema tome, razlikuju se sljedeće vrste kondenzatora: zračni, čvrsti dielektrični i tekući dielektrični.

Punjenje i pražnjenje kondenzatora. Prednaponska struja

Uključimo u strujni krug kondenzator konstantnog kapaciteta. Postavljanjem prekidača na kontakt a, kondenzator će se uključiti u krug baterije. Igla miliampermetra u trenutku kada je kondenzator spojen na krug će odstupiti i tada postati nula.

DC kondenzator

Dakle, strujni krug je prošao u određenom smjeru. Ako se prekidač sada postavi na kontakt b (tj. zatvori pločice), tada će se igla miliampermetra skrenuti u drugom smjeru i vratiti na nulu. Dakle, kroz krug je također prošla struja, ali u drugom smjeru. Analizirajmo ovaj fenomen.

Kad je kondenzator spojen na bateriju, on se napunio, odnosno njegove su ploče dobile jedan pozitivan, a drugi negativan naboj. Naplata se nastavlja do potencijalna razlika između ploča kondenzatora nije jednak naponu baterije. Miliampermetar spojen u seriju u krugu pokazuje struju punjenja kondenzatora, koja prestaje odmah nakon što se kondenzator napuni.

Kad se kondenzator odvojio od baterije, ostao je napunjen, a razlika potencijala između njegovih ploča bila je jednaka naponu baterije.

Međutim, čim je kondenzator zatvoren, počeo se prazniti i struja pražnjenja je prošla kroz krug, ali već u smjeru suprotnom od struje punjenja. To se nastavlja sve dok razlika potencijala između ploča ne nestane, odnosno dok se kondenzator ne isprazni.

Dakle, ako je kondenzator uključen u istosmjerni krug, struja će teći u krugu samo u trenutku punjenja kondenzatora, au budućnosti neće biti struje u krugu, jer će krug biti prekinut dielektrikom kondenzatora.

Zato kažu da «kondenzator ne propušta istosmjernu struju».

Količina elektriciteta (Q) koja se može koncentrirati na pločama kondenzatora, njegov kapacitet (C) i vrijednost napona koji se dovodi na kondenzator (U) povezani su sljedećim odnosom: Q = CU.

Ova formula pokazuje da što je veći kapacitet kondenzatora, to se više električne energije može koncentrirati na njemu bez značajnog povećanja napona na njegovim pločama.

Povećanje istosmjernog napona kapacitivnosti također povećava količinu električne energije pohranjene u kondenzatoru. Međutim, ako se na ploče kondenzatora stavi veliki napon, tada se kondenzator može "slomiti", odnosno pod djelovanjem tog napona dielektrik će se na nekom mjestu urušiti i propustiti struju kroz njega. U tom će slučaju kondenzator prestati raditi. Kako bi se izbjeglo oštećenje kondenzatora, oni označavaju vrijednost dopuštenog radnog napona.

Fenomen dielektrične polarizacije

Analizirajmo sada što se događa u dielektriku kada se kondenzator puni i prazni i zašto vrijednost kapacitivnosti ovisi o dielektričnoj konstanti?

Odgovor na ovo pitanje daje nam elektronska teorija strukture materije.

U dielektriku, kao ni u svakom izolatoru, nema slobodnih elektrona. U atomima dielektrika, elektroni su čvrsto vezani za jezgru, stoga napon primijenjen na ploče kondenzatora ne uzrokuje usmjereno kretanje elektrona u njegovom dielektriku, tj. električna struja, kao u slučaju žica.

Međutim, pod djelovanjem sila električnog polja koje stvaraju nabijene ploče, elektroni koji kruže oko atomske jezgre pomiču se prema pozitivno nabijenoj ploči kondenzatora. Pritom se atom rasteže u smjeru silnica.Ovo stanje dielektričnih atoma nazivamo polariziranim, a samu pojavu nazivamo dielektričnom polarizacijom.

Kada se kondenzator isprazni, polarizirano stanje dielektrika se prekida, odnosno nestaje pomak elektrona u odnosu na jezgru uzrokovan polarizacijom i atomi se vraćaju u svoje uobičajeno nepolarizirano stanje. Utvrđeno je da prisutnost dielektrika slabi polje između ploča kondenzatora.

Različiti dielektrici pod djelovanjem istog električnog polja različito se polariziraju. Što se dielektrik lakše polarizira, to više slabi polje. Polarizacija zraka, na primjer, rezultira manjim slabljenjem polja nego polarizacija bilo kojeg drugog dielektrika.

Ali slabljenje polja između ploča kondenzatora omogućuje vam da na njih koncentrirate veću količinu električne energije Q pri istom naponu U, što zauzvrat dovodi do povećanja kapaciteta kondenzatora, budući da je C = Q / U .

Tako smo došli do zaključka - što je veća dielektrična konstanta dielektrika, to je veći kapacitet kondenzatora koji sadrži ovaj dielektrik u svom sastavu.

Pomicanje elektrona u atomima dielektrika, koje se događa, kao što smo već rekli, pod djelovanjem sila električnog polja, stvara u dielektriku, u prvom trenutku djelovanja polja, električni struja . Zove se struja otklona... Nazvana je tako jer za razliku od struje vodljivosti u metalnim žicama, struja pomaka nastaje samo pomakom elektrona koji se kreću u njihovim atomima.

Prisutnost ove prednaponske struje uzrokuje da kondenzator spojen na izvor izmjenične struje postane njegov vodič.

Vidi također o ovoj temi: Električno i magnetsko polje: Koje su razlike?

Glavne karakteristike električnog polja i glavne električne karakteristike medija (osnovni pojmovi i definicije)

Jačina električnog polja

Vektorska veličina koja karakterizira djelovanje sile električnog polja na električki nabijena tijela i čestice, jednaka granici omjera sile kojom električno polje djeluje na stacionarno točkasto nabijeno tijelo uneseno u razmatranu točku polja na naboj ovog tijela kada taj naboj teži nuli i čiji se smjer pretpostavlja da se podudara sa smjerom sile koja djeluje na pozitivno nabijeno točkasto tijelo.

Linija električnog polja

Pravac u bilo kojoj točki čija se tangenta na nju podudara sa smjerom vektora jakosti električnog polja.

Električna polarizacija

Agregatno stanje karakterizirano činjenicom da električni moment danog volumena te tvari ima vrijednost različitu od nule.

Električna provodljivost

Svojstvo tvari da pod utjecajem električnog polja koje se ne mijenja u vremenu provodi električnu struju koja se ne mijenja u vremenu.

Dielektrik

Tvar čije je glavno električno svojstvo sposobnost polarizacije u električnom polju i u kojoj je moguće dugotrajno postojanje elektrostatskog polja.

Vodljiva tvar

Tvar čije je glavno električno svojstvo električna vodljivost.

Direktor

Vodljivo tijelo.

Poluvodička tvar (poluvodič)

Tvar čija je električna vodljivost posredna između vodljive tvari i dielektrika i čija su razlikovna svojstva: izrazita ovisnost električne vodljivosti o temperaturi; promjena električne vodljivosti kada je izložena električnom polju, svjetlu i drugim vanjskim čimbenicima; značajna ovisnost njegove električne vodljivosti o količini i prirodi uvedenih nečistoća, što omogućuje pojačanje i ispravljanje električne struje, kao i pretvaranje nekih vrsta energije u električnu energiju.

Polarizacija (intenzitet polarizacije)

Vektorska veličina koja karakterizira stupanj električne polarizacije dielektrika, jednaka granici omjera električnog momenta određenog volumena dielektrika prema tom volumenu kada potonji teži nuli.

Električna konstanta

Skalarna veličina koja karakterizira električno polje u šupljini, jednaka omjeru ukupnog električnog naboja sadržanog u određenoj zatvorenoj površini i protoka vektora jakosti električnog polja kroz tu površinu u praznini.

Apsolutna dielektrična osjetljivost

Skalarna veličina koja karakterizira svojstvo dielektrika da bude polariziran u električnoj masi, jednaka omjeru veličine polarizacije prema veličini jakosti električnog polja.

Dielektrična osjetljivost

Omjer apsolutne dielektrične osjetljivosti u razmatranoj točki dielektrika i električne konstante.

Električni pomak

Vektorska veličina jednaka geometrijskom zbroju jakosti električnog polja u točki koja se razmatra pomnožena s električnom konstantom i polarizacijom u istoj točki.

Apsolutna dielektrična konstanta

Skalarna veličina koja karakterizira električna svojstva dielektrika i jednaka je omjeru veličine električnog pomaka i veličine napona električnog polja.

Dielektrična konstanta

Omjer apsolutne dielektrične konstante u razmatranoj točki dielektrika i električne konstante.

Pomačni dalekovod

Pravac u svakoj točki čija se tangenta na nju podudara sa smjerom vektora električnog pomaka.

Elektrostatska indukcija

Pojava indukcije električnih naboja na vodljivom tijelu pod utjecajem vanjskog elektrostatskog polja.

Stacionarno električno polje

Električno polje električnih struja koje se ne mijenjaju u vremenu, pod uvjetom da vodiči kojima teče struja miruju.

Potencijalno električno polje

Električno polje u kojem je rotor vektora jakosti električnog polja posvuda jednak nuli.

Vrtložno električno polje

Električno polje u kojem rotor vektora intenziteta nije uvijek jednak nuli.

Razlika električnih potencijala u dvije točke

Skalarna veličina koja karakterizira potencijalno električno polje, jednaka granici omjera rada sila ovog polja, kada se pozitivno nabijeno točkasto tijelo prenese iz jedne dane točke polja u drugu, na naboj ovog tijela , kada naboj tijela teži nuli (inače: jednak je linijskom integralu jakosti električnog polja od jedne zadane točke do druge).

Električni potencijal u određenoj točki

Razlika između električnih potencijala dane točke i druge, specificirane, ali proizvoljno odabrane točke.

Električni kapacitet jednog vodiča

Skalarna veličina koja karakterizira sposobnost vodiča da akumulira električni naboj, jednaka omjeru naboja vodiča i njegovog potencijala, uz pretpostavku da su svi ostali vodiči beskonačno udaljeni i da je potencijal beskonačno udaljene točke jednak nuli.

Električni kapacitet između dva jednostruka vodiča

Skalarna vrijednost jednaka apsolutnoj vrijednosti omjera električnog naboja na jednom vodiču i razlici električnih potencijala dvaju vodiča, pod uvjetom da ti vodiči imaju istu veličinu, ali suprotnog predznaka i da su svi ostali vodiči beskonačno udaljeni.

Kondenzator

Sustav od dva vodiča (ploče) odvojenih dielektrikom dizajniranim za korištenje kapaciteta između dva vodiča.

Kapacitet kondenzatora

Apsolutna vrijednost omjera električnog naboja na jednoj od ploča kondenzatora i potencijalne razlike između njih, pod uvjetom da ploče imaju naboje iste veličine i suprotnog predznaka.

Kapacitet između dva vodiča u sustavu žica (djelomični kapacitet)

Apsolutna vrijednost omjera električnog naboja jednog od vodiča uključenih u sustav vodiča prema potencijalnoj razlici između njega i drugog vodiča, ako svi vodiči, osim potonjeg, imaju isti potencijal; ako je tlo uključeno u razmatrani sustav žica, tada se njegov potencijal uzima kao nula.

Električno polje treće strane

Polje uzrokovano toplinskim procesima, kemijskim reakcijama, kontaktnim pojavama, mehaničkim silama i drugim neelektromagnetskim (u makroskopskom ispitivanju) procesima; karakteriziran jakim djelovanjem na nabijene čestice i tijela koja se nalaze u području gdje ovo polje postoji.

Inducirano električno polje

Električno polje inducirano vremenski promjenjivim magnetskim poljem.

Elektromotorna sila E. d. S.

Skalarna veličina koja karakterizira sposobnost vanjskog i induciranog električnog polja da inducira električnu struju jednaku linearnom integralu jakosti vanjskog i induciranog električnog polja između dviju točaka duž razmatranog puta ili duž razmatranog zatvorenog kruga.

napon

Skalarna veličina jednaka linearnom integralu jakosti rezultirajućeg električnog polja (elektrostatskog, stacionarnog, vanjskog, induktivnog) između dviju točaka na razmatranom putu.