Elektriväli, elektrostaatiline induktsioon, mahtuvus ja kondensaatorid

Elektrivälja kontseptsioon

Teadaolevalt toimivad elektrivälja jõud elektrilaenguid ümbritsevas ruumis. Arvukad katsed laetud kehadega kinnitavad seda täielikult. Iga laetud keha ümbritsev ruum on elektriväli, milles toimivad elektrijõud.

Väljajõudude suunda nimetatakse elektrivälja joonteks. Seetõttu on üldtunnustatud seisukoht, et elektriväli on jõujoonte kogum.

Väljajoontel on teatud omadused:

• jõujooned lahkuvad alati positiivselt laetud kehast ja sisenevad negatiivselt laetud kehasse;

• nad väljuvad kõigis suundades risti laetud keha pinnaga ja sisenevad sellesse risti;

• kahe võrdselt laetud keha jõujooned näivad üksteist tõrjuvat ja vastupidiselt laetud kehad tõmbavad ligi.

Elektrivälja jõujooned on laetud kehade pinnal katkedes alati avatud.Elektriliselt laetud kehad interakteeruvad: vastupidiselt laetud tõmbuvad ligi ja samamoodi tõrjuvad.

Elektriliselt laetud kehad (osakesed) laengutega q1 ja q2 interakteeruvad üksteisega jõuga F, mis on vektorsuurus ja mida mõõdetakse njuutonites (N). Vastupidise laenguga kehad tõmbavad üksteist ligi ja sarnase laenguga tõrjuvad üksteist.

Tõmbe- või tõukejõud sõltub kehade laengute suurusest ja nendevahelisest kaugusest.

Laetud kehasid nimetatakse punktideks, kui nende lineaarmõõtmed on kehadevahelise kaugusega r võrreldes väikesed. Nende vastasmõjujõu F suurus sõltub laengute q1 ja q2 suurusest, nende vahelisest kaugusest r ja keskkonnast, milles elektrilaengud paiknevad.

Kui kehadevahelises ruumis pole õhku, vaid mõni muu dielektrik, see tähendab elektrit mittejuht, siis kehade vastasmõju jõud väheneb.

Dielektriku omadusi iseloomustavat väärtust, mis näitab, mitu korda suureneb laengute vastastikmõju, kui antud dielektrik asendatakse õhuga, nimetatakse antud dielektriku suhteliseks läbilaskvuseks.

Dielektriline konstant on võrdne: õhu ja gaaside puhul — 1; eboniidi jaoks - 2 - 4; vilgukivi jaoks 5 — 8; õli jaoks 2 — 5; paberile 2 — 2,5; parafiini puhul — 2 — 2,6.

Kahe laetud keha elektrostaatiline väli: a — talad on laetud sama nimega, b — kehad on laetud erinevalt

Elektrostaatiline induktsioon

Kui ümbritsevatest objektidest eraldatud sfäärilise kujuga juhtivale kehale A antakse negatiivne elektrilaeng, st tekitada selles elektronide liig, jaotub see laeng keha pinnale ühtlaselt.Seda seetõttu, et elektronid, tõrjudes üksteist, kipuvad kere pinnale tulema.

Asetame laenguta keha B, mis on samuti isoleeritud ümbritsevatest objektidest, keha A väljale. Seejärel tekivad keha B pinnale elektrilaengud ja keha A vastasküljele laeng, mis on vastupidine keha A laengule ( positiivne ) ja teisel pool - laeng, millel on sama nimi kui keha A laeng (negatiivne). Selliselt jaotatud elektrilaengud jäävad keha B pinnale, kui see on keha A väljas. Kui keha B eemaldatakse väljast või keha A eemaldatakse, siis keha B pinnal olev elektrilaeng neutraliseerub. Seda distantsilt elektrifitseerimise meetodit nimetatakse elektrostaatiliseks induktsiooniks või elektrifitseerimiseks mõju abil.

Elektrostaatilise induktsiooni nähtus

On ilmne, et keha sellist elektrifitseeritud olekut sunnib ja säilitab eranditult keha A tekitatud elektrivälja jõudude toime.

Kui me teeme sama, kui keha A on positiivselt laetud, siis tormavad inimese käe vabad elektronid kehasse B, neutraliseerivad selle positiivse laengu ja keha B saab negatiivse laengu.

Mida kõrgem on keha A elektrifitseerimise aste, st mida suurem on selle potentsiaal, seda suuremat potentsiaali saab elektrifitseerida elektrostaatilise induktsioonkeha B abil.

Nii jõudsime järeldusele, et elektrostaatilise induktsiooni nähtus võimaldab teatud tingimustel akumuleeruda elektrit juhtivate kehade pinnal.

Iga keha saab laadida teatud piirini, see tähendab teatud potentsiaalini; potentsiaali suurenemine üle piiri põhjustab keha paiskumise ümbritsevasse atmosfääri. Erinevad kehad vajavad sama potentsiaali saavutamiseks erineval hulgal elektrit. Teisisõnu sisaldavad erinevad kehad erinevas koguses elektrit, see tähendab, et neil on erinev elektriline võimsus (või lihtsalt võimsus).

Elektriline võimsus on keha võime sisaldada teatud kogust elektrit, suurendades samal ajal oma potentsiaali teatud väärtuseni. Mida suurem on keha pindala, seda rohkem elektrilaengut see keha suudab hoida.

Kui kehal on kuuli kuju, on selle kandevõime otseselt võrdeline kuuli raadiusega. Mahtuvust mõõdetakse faraadides.

Farada on sellise keha võimsus, mis pärast ripatsis elektrilaengu saamist suurendab oma potentsiaali ühe volti võrra... 1 farad = 1 000 000 mikrofaradi.

Elektrotehnikas kasutatakse laialdaselt elektrivõimsust, see tähendab juhtivate kehade omadust koguda endas elektrilaengut. Seade põhineb sellel omadusel elektrilised kondensaatorid.

Kondensaatori mahtuvus

Kondensaator koosneb kahest metallplaadist (plaadist), mis on üksteisest eraldatud õhukihi või mõne muu dielektrikuga (vilgukivi, paber jne).

Kui ühele plaatidest on antud positiivne laeng ja teisele negatiivne, st laetakse neid vastupidiselt, siis hoitakse plaatide laenguid, mis tõmbuvad üksteise külge, plaatidel. See võimaldab plaatidele koondada palju rohkem elektrit kui siis, kui neid laetaks üksteisest kaugel.

Seetõttu võib kondensaator olla seade, mis salvestab oma plaatidele märkimisväärse koguse elektrit. Teisisõnu, kondensaator on elektrienergia salvestaja.

Kondensaatori mahtuvus on võrdne:

C = eS / 4pl

kus C on mahtuvus; e on dielektriku dielektriline konstant; S - ühe plaadi pindala cm2, NS - konstantne arv (pi) võrdne 3,14; l — plaatide vaheline kaugus cm.

Sellest valemist on näha, et kui plaatide pindala suureneb, suureneb kondensaatori võimsus ja nendevahelise kauguse suurenedes see väheneb.

Selgitame seda sõltuvust. Mida suurem on plaatide pindala, seda rohkem elektrit nad suudavad neelata ja seetõttu on ka kondensaatori võimsus suurem.

Plaatide vahekauguse vähenedes suureneb nende laengute vastastikune mõju (induktsioon), mis võimaldab koondada plaatidele rohkem elektrit ja seeläbi suurendada kondensaatori võimsust.

Seega, kui tahame saada suurt kondensaatorit, peame võtma suure pindalaga plaadid ja isoleerima need õhukese dielektrilise kihiga.

Valem näitab ka seda, et dielektriku dielektrilise konstandi kasvades suureneb kondensaatori mahtuvus.

Seetõttu on samade geomeetriliste mõõtmetega, kuid erinevaid dielektrikuid sisaldavatel kondensaatoritel erinev mahtuvus.

Kui võtame näiteks kondensaatori õhudielektrikuga, mille dielektriline konstant on võrdne ühtsusega, ja paneme selle plaatide vahele vilgukivi dielektrilise konstandiga 5, siis kondensaatori mahtuvus suureneb 5 korda.

Seetõttu kasutatakse suure mahutavuse saavutamiseks dielektrikutena materjale nagu vilgukivi, parafiiniga immutatud paber jne, mille dielektriline konstant on õhust palju kõrgem.

Vastavalt sellele eristatakse järgmist tüüpi kondensaatoreid: õhk, tahke dielektrik ja vedel dielektrik.

Kondensaatori laadimine ja tühjendamine. Nihkevool

Kaasame ahelasse konstantse mahtuvusega kondensaatori. Kui asetate lüliti kontaktile a, lülitatakse kondensaator akuahelasse. Kondensaatori ahelaga ühendamise hetkel läheb milliammeetri nõel kõrvale ja muutub seejärel nulliks.

DC kondensaator

Seetõttu läbis vooluahelat teatud suunas elektrivool. Kui lüliti on nüüd asetatud kontaktile b (st sulgege plaadid), kaldub milliammeetri nõel teises suunas ja pöördub tagasi nulli. Seetõttu läbis ahelat ka vool, kuid teises suunas. Analüüsime seda nähtust.

Kui kondensaator ühendati akuga, siis see laeti, see tähendab, et selle plaadid said ühe positiivse ja teise negatiivse laengu. Arveldamine jätkub kuni potentsiaalne erinevus kondensaatori plaatide vahel ei ole võrdne aku pingega. Ahelas järjestikku ühendatud milliampermeeter näitab kondensaatori laadimisvoolu, mis peatub kohe pärast kondensaatori laadimist.

Kui kondensaator akust lahti ühendati, jäi see laetuks ja selle plaatide potentsiaalide erinevus oli võrdne aku pingega.

Kuid niipea kui kondensaator suleti, hakkas see tühjenema ja tühjendusvool läbis ahelat, kuid juba laadimisvoolule vastupidises suunas. See jätkub seni, kuni plaatide potentsiaalide erinevus kaob, st kuni kondensaatori tühjenemiseni.

Seega, kui kondensaator on alalisvooluahelasse lülitatud, voolab vool vooluahelas ainult kondensaatori laadimise ajal ja tulevikus vooluahelas ei ole, kuna vooluring katkeb dielektriku poolt. kondensaatorist.

Seetõttu öeldakse, et "kondensaator ei läbi alalisvoolu".

Kondensaatori plaatidele koondatav elektrienergia hulk (Q), selle võimsus (C) ja kondensaatorile antava pinge väärtus (U) on seotud järgmise seosega: Q = CU.

See valem näitab, et mida suurem on kondensaatori võimsus, seda rohkem elektrit saab sellele koondada, ilma et selle plaatidel pinge oluliselt suureneks.

Alalisvoolu mahtuvuspinge suurendamine suurendab ka kondensaatorisse salvestatud elektrienergia hulka. Kui aga kondensaatori plaatidele panna suur pinge, siis võib kondensaator "katki minna" ehk selle pinge toimel vajub dielektrik mingis kohas kokku ja laseb voolu läbi. Sel juhul lakkab kondensaator töötamast. Kondensaatorite kahjustamise vältimiseks näitavad need lubatud tööpinge väärtust.

Dielektrilise polarisatsiooni nähtus

Analüüsime nüüd, mis juhtub dielektrikus kondensaatori laadimisel ja tühjenemisel ning miks sõltub mahtuvuse väärtus dielektrilisest konstandist?

Vastus sellele küsimusele annab meile aine struktuuri elektroonilise teooria.

Dielektrikus, nagu igas isolaatoris, pole vabu elektrone. Dielektriku aatomites on elektronid tihedalt seotud südamikuga, mistõttu kondensaatori plaatidele rakendatav pinge ei põhjusta tema dielektrikus elektronide suunalist liikumist, s.t. elektrivool, nagu juhtmete puhul.

Laetud plaatide tekitatud elektrivälja jõudude toimel aga nihkuvad ümber aatomituuma tiirlevad elektronid positiivselt laetud kondensaatorplaadi poole. Samal ajal on aatom välja venitatud väljajoonte suunas Seda dielektriliste aatomite olekut nimetatakse polariseerituks ja nähtust ennast dielektriliseks polarisatsiooniks.

Kondensaatori tühjenemisel katkeb dielektriku polariseeritud olek, see tähendab, et polarisatsioonist põhjustatud elektronide nihe tuuma suhtes kaob ja aatomid naasevad oma tavapärasesse polariseerimata olekusse. Leiti, et dielektriku olemasolu nõrgendab kondensaatori plaatide vahelist välja.

Erinevad dielektrikud sama elektrivälja toimel polariseeruvad erineval määral. Mida kergemini dielektrik polariseerub, seda rohkem see välja nõrgestab. Näiteks õhu polariseerimine põhjustab vähem välja nõrgenemist kui mis tahes muu dielektriku polarisatsioon.

Kuid kondensaatori plaatide vahelise välja nõrgenemine võimaldab teil koondada neile suurema koguse elektrit Q samal pingel U, mis omakorda toob kaasa kondensaatori võimsuse suurenemise, kuna C = Q / U .

Nii jõudsime järeldusele - mida suurem on dielektriku dielektriline konstant, seda suurem on selle dielektriku koostises sisalduva kondensaatori võimsus.

Elektronide nihkumine dielektriku aatomites, mis toimub, nagu me juba ütlesime, elektrivälja jõudude toimel, moodustub dielektrikus, välja esimesel toimehetkel elektriline vool . Nimetatakse läbipaindevooluks... Seda nimetatakse nii, kuna erinevalt metalljuhtmete juhtivusvoolust tekib nihkevool ainult nende aatomites liikuvate elektronide nihkumisel.

Selle eelpingevoolu olemasolu põhjustab vahelduvvooluallikaga ühendatud kondensaatori muutumise selle juhiks.

Vaata ka sellel teemal: Elektri- ja magnetväli: millised on erinevused?

Elektrivälja peamised omadused ja keskkonna peamised elektrilised omadused (põhimõisted ja määratlused)

Elektrivälja tugevus

Vektorsuurus, mis iseloomustab elektrivälja jõu mõju elektriliselt laetud kehadele ja osakestele, mis on võrdne selle jõu suhte piiriga, millega elektriväli mõjub välja vaadeldavas punktis sisestatud statsionaarsele punktlaenguga kehale. selle keha laeng, kui see laeng kaldub nulli ja mille suund eeldatakse ühtivat positiivselt laetud punktkehale mõjuva jõu suunaga.

Elektrivälja joon

Joon mis tahes punktis, mille puutuja langeb kokku elektrivälja tugevuse vektori suunaga.

Elektriline polarisatsioon

Aine olek, mida iseloomustab asjaolu, et selle aine antud ruumala elektrimomendi väärtus on nullist erinev.

Elektrijuhtivus

Aine omadus juhtida ajas muutumatu elektrivälja mõjul ajas muutumatut elektrivoolu.

Dielektriline

Aine, mille peamiseks elektriliseks omaduseks on võime polariseeruda elektriväljas ja milles on võimalik elektrostaatilise välja pikaajaline olemasolu.

Juhtiv aine

Aine, mille peamine elektriline omadus on elektrijuhtivus.

Direktor

Juhtiv keha.

Pooljuhtaine (pooljuht)

Aine, mille elektrijuhtivus on juhtiva aine ja dielektriku vahepealne ning mille eristavad omadused on: elektrijuhtivuse väljendunud sõltuvus temperatuurist; elektrijuhtivuse muutus elektrivälja, valguse ja muude välistegurite mõjul; selle elektrijuhtivuse oluline sõltuvus sisseviidud lisandite hulgast ja olemusest, mis võimaldab võimendada ja korrigeerida elektrivoolu, samuti muundada teatud tüüpi energiat elektriks.

Polarisatsioon (polarisatsiooni intensiivsus)

Dielektriku elektrilise polarisatsiooni astet iseloomustav vektorsuurus, mis on võrdne dielektriku teatud ruumala ja selle ruumala elektrimomendi suhte piiriga, kui viimane kipub olema null.

Elektriline konstant

Skalaarsuurus, mis iseloomustab õõnsuse elektrivälja, mis on võrdne teatud suletud pinnas sisalduva kogu elektrilaengu suhtega elektrivälja tugevusvektori voolusse läbi selle pinna tühimikus.

Absoluutne dielektriline vastuvõtlikkus

Skalaarsuurus, mis iseloomustab dielektriku omadust olla elektrimassis polariseerunud ja mis on võrdne polarisatsiooni suuruse ja elektrivälja tugevuse suuruse suhtega.

Dielektriline tundlikkus

Dielektriku vaadeldava punkti absoluutse dielektrilise vastuvõtlikkuse suhe elektrikonstandisse.

Elektriline nihe

Vektorsuurus, mis on võrdne vaadeldava punkti elektrivälja tugevuse geomeetrilise summaga, mis on korrutatud elektrikonstandi ja polarisatsiooniga samas punktis.

Absoluutne dielektriline konstant

Dielektriku elektrilisi omadusi iseloomustav skalaarsuurus, mis on võrdne elektrilise nihke suuruse ja elektrivälja pinge suuruse suhtega.

Dielektriline konstant

Absoluutse dielektrilise konstandi suhe dielektriku vaadeldavas punktis elektrikonstandisse.

Nihkega elektriliin

Sirge, mille igas punktis puutuja kokku langeb elektrilise nihke vektori suunaga.

Elektrostaatiline induktsioon

Juhtival kehal elektrilaengute induktsiooni nähtus välise elektrostaatilise välja mõjul.

Statsionaarne elektriväli

Aja jooksul muutumatute elektrivoolude elektriväli eeldusel, et voolu juhtivad juhid on paigal.

Potentsiaalne elektriväli

Elektriväli, milles elektrivälja tugevusvektori rootor on kõikjal võrdne nulliga.

Pöörane elektriväli

Elektriväli, milles intensiivsusvektori rootor ei ole alati võrdne nulliga.

Elektripotentsiaalide erinevus kahes punktis

Potentsiaalset elektrivälja iseloomustav skalaarsuurus, mis on võrdne selle välja jõudude töö suhte piiriga, kui positiivselt laetud punktkeha viiakse ühest välja antud punktist teise, selle keha laengusse , kui keha laeng kipub olema null (muidu: võrdne elektrivälja tugevuse joonintegraaliga ühest antud punktist teise).

Elektripotentsiaal antud punktis

Erinevus antud punkti ja teise, kindlaksmääratud, kuid meelevaldselt valitud punkti elektripotentsiaalide vahel.

Ühe juhi elektriline mahtuvus

Skalaarsuurus, mis iseloomustab juhi võimet akumuleerida elektrilaengut, mis on võrdne juhi laengu ja tema potentsiaali suhtega, eeldades, et kõik teised juhid on lõpmata kaugel ja et lõpmata kauge punkti potentsiaal on null.

Elektriline mahtuvus kahe üksiku juhi vahel

Skalaarväärtus, mis on võrdne ühe juhi elektrilaengu ja kahe juhi elektripotentsiaalide erinevuse suhte absoluutväärtusega, eeldusel, et nende juhtide suurus on sama, kuid märgilt on vastupidine ja kõik teised juhid on lõpmatult kaugel.

Kondensaator

Kahest dielektrikuga eraldatud juhist (plaadist) koosnev süsteem, mis on kavandatud kasutama kahe juhtme vahelist mahtuvust.

Kondensaatori mahtuvus

Ühe kondensaatoriplaadi elektrilaengu ja nendevahelise potentsiaalide erinevuse suhte absoluutväärtus tingimusel, et plaatide laengud on sama suurusega ja vastupidise märgiga.

Mahtuvus kahe juhtme vahel juhtmesüsteemis (osaline mahtuvus)

Ühe juhtide süsteemi kuuluva juhtme elektrilaengu suhte absoluutväärtus selle ja teise juhi vahelise potentsiaalide erinevusse, kui kõigil juhtidel, välja arvatud viimane, on sama potentsiaal; kui maandus sisaldub vaadeldavas juhtmesüsteemis, siis võetakse selle potentsiaal nulliks.

Kolmanda osapoole elektriväli

Termiliste protsesside, keemiliste reaktsioonide, kontaktnähtuste, mehaaniliste jõudude ja muude mitteelektromagnetiliste (makroskoopilisel uurimisel) protsesside põhjustatud väli; mida iseloomustab tugev mõju selle välja olemasolu piirkonnas asuvatele laetud osakestele ja kehadele.

Indutseeritud elektriväli

Ajas muutuva magnetvälja poolt indutseeritud elektriväli.

Elektromotoorjõud E.d.S.

Skalaarsuurus, mis iseloomustab välise ja indutseeritud elektrivälja võimet indutseerida elektrivoolu, mis on võrdne välise ja indutseeritud elektrivälja tugevuse lineaarintegraaliga vaadeldaval teekonnal või piki vaadeldavat suletud ahelat kahe punkti vahel.

Pinge

Skalaarsuurus, mis on võrdne tekkiva elektrivälja (elektrostaatilise, statsionaarse, välise, induktiivne) tugevuse lineaarintegraaliga vaadeldaval teekonnal kahe punkti vahel.