Elektrisch veld, elektrostatische inductie, capaciteit en condensatoren

Elektrisch veldconcept

Het is bekend dat elektrische veldkrachten werken in de ruimte rond elektrische ladingen. Talrijke experimenten met geladen lichamen bevestigen dit volledig. De ruimte rond elk geladen lichaam is een elektrisch veld waarin elektrische krachten werken.

De richting van de veldkrachten worden elektrische veldlijnen genoemd. Daarom wordt algemeen aangenomen dat een elektrisch veld een verzameling krachtlijnen is.

De veldlijnen hebben bepaalde eigenschappen:

• krachtlijnen verlaten altijd een positief geladen lichaam en gaan een negatief geladen lichaam binnen;

• ze verlaten in alle richtingen loodrecht op het oppervlak van het geladen lichaam en gaan het loodrecht binnen;

• de krachtlijnen van twee gelijk geladen lichamen lijken elkaar af te stoten, en tegengesteld geladen lichamen trekken elkaar aan.

De krachtlijnen van het elektrische veld zijn altijd open als ze breken aan het oppervlak van geladen lichamen.Elektrisch geladen lichamen interageren: tegengesteld geladen lichamen trekken aan en stoten elkaar af.

Elektrisch geladen lichamen (deeltjes) met ladingen q1 en q2 werken op elkaar in met een kracht F, wat een vectorgrootheid is en wordt gemeten in newton (N). Lichamen met tegengestelde ladingen trekken elkaar aan en met gelijke ladingen stoten ze elkaar af.

De aantrekkings- of afstotingskracht hangt af van de grootte van de ladingen op de lichamen en van de afstand daartussen.

Geladen lichamen worden punt genoemd als hun lineaire afmetingen klein zijn in vergelijking met de afstand r tussen de lichamen. De grootte van hun interactiekracht F hangt af van de grootte van de ladingen q1 en q2, de afstand r daartussen en de omgeving waarin de elektrische ladingen zich bevinden.

Als er geen lucht in de ruimte tussen de lichamen is, maar een ander diëlektricum, dat wil zeggen een niet-geleider van elektriciteit, dan zal de kracht van interactie tussen de lichamen afnemen.

De waarde die de eigenschappen van een diëlektricum kenmerkt en laat zien hoe vaak de kracht van interactie tussen ladingen zal toenemen als een bepaald diëlektricum wordt vervangen door lucht, wordt de relatieve permittiviteit van een bepaald diëlektricum genoemd.

De diëlektrische constante is gelijk aan: voor lucht en gassen - 1; voor eboniet - 2 - 4; voor mica 5 - 8; voor olie 2 - 5; voor papier 2 - 2,5; voor paraffine — 2 — 2.6.

Het elektrostatische veld van twee geladen lichamen: a - tala zijn geladen met dezelfde naam, b - lichamen zijn verschillend geladen

Elektrostatische inductie

Als een geleidend lichaam A met een bolvorm, geïsoleerd van omringende objecten, een negatieve elektrische lading krijgt, dat wil zeggen om er een overmaat aan elektronen in te creëren, dan zal deze lading gelijkmatig over het oppervlak van het lichaam worden verdeeld.Dit komt omdat de elektronen, die elkaar afstoten, de neiging hebben om naar de oppervlakte van het lichaam te komen.

We plaatsen een ongeladen lichaam B, ook geïsoleerd van omringende objecten, in het veld van lichaam A. Dan zullen elektrische ladingen verschijnen op het oppervlak van lichaam B, en aan de kant die naar lichaam A is gericht, een lading tegengesteld aan de lading van lichaam A ( positief ), en aan de andere kant - een lading met dezelfde naam als de lading van het lichaam A (negatief). De aldus verdeelde elektrische ladingen blijven op het oppervlak van lichaam B terwijl het zich in het veld van lichaam A bevindt. Als lichaam B uit het veld wordt verwijderd of lichaam A wordt verwijderd, dan wordt de elektrische lading op het oppervlak van lichaam B geneutraliseerd. Deze methode van elektrificatie op afstand wordt elektrostatische inductie of elektrificatie door invloed genoemd.

Het fenomeen van elektrostatische inductie

Het is duidelijk dat een dergelijke geëlektrificeerde toestand van het lichaam uitsluitend wordt afgedwongen en in stand wordt gehouden door de werking van de krachten van het elektrische veld gecreëerd door lichaam A.

Als we hetzelfde doen wanneer lichaam A positief geladen is, dan zullen de vrije elektronen van de hand van een persoon naar lichaam B snellen, de positieve lading neutraliseren, en lichaam B zal negatief geladen zijn.

Hoe hoger de mate van elektrificatie van lichaam A, d.w.z. hoe groter het potentieel ervan, des te groter potentieel kan worden geëlektrificeerd door middel van elektrostatische inductielichaam B.

Zo kwamen we tot de conclusie dat het fenomeen van elektrostatische inductie het onder bepaalde omstandigheden mogelijk maakt om te accumuleren elektriciteit op het oppervlak van geleidende lichamen.

Elk lichaam kan worden opgeladen tot een bepaalde limiet, dat wil zeggen tot een bepaald potentieel; een toename van het potentieel boven de limiet zorgt ervoor dat het lichaam in de omringende atmosfeer wordt uitgeworpen. Verschillende lichamen hebben verschillende hoeveelheden elektriciteit nodig om ze op hetzelfde potentieel te brengen. Met andere woorden, verschillende lichamen bevatten verschillende hoeveelheden elektriciteit, dat wil zeggen, ze hebben verschillende elektrische capaciteiten (of eenvoudigweg capaciteiten).

Elektrisch vermogen is het vermogen van een lichaam om een ​​bepaalde hoeveelheid elektriciteit te bevatten en tegelijkertijd zijn potentieel tot een bepaalde waarde te verhogen. Hoe groter het lichaamsoppervlak, hoe meer elektrische lading dat lichaam kan vasthouden.

Als het lichaam de vorm heeft van een bal, dan is zijn capaciteit recht evenredig met de straal van de bal. Capaciteit wordt gemeten in farads.

Een farada is de capaciteit van zo'n lichaam dat, na het ontvangen van een lading elektriciteit in een hanger, zijn potentieel met één volt verhoogt... 1 farad = 1.000.000 microfarads.

Elektrische capaciteit, dat wil zeggen de eigenschap van geleidende lichamen om elektrische lading op zichzelf te accumuleren, wordt veel gebruikt in de elektrotechniek. Het apparaat is gebaseerd op deze eigenschap elektrische condensatoren.

Capaciteit van de condensator

Een condensator bestaat uit twee metalen platen (platen), van elkaar geïsoleerd met een luchtlaag of een ander diëlektricum (mica, papier, etc.).

Als een van de platen een positieve lading krijgt en de andere negatief, dat wil zeggen, laad ze tegengesteld op, dan zullen de ladingen van de platen, die elkaar aantrekken, op de platen worden vastgehouden. Hierdoor kan veel meer elektriciteit op de platen worden geconcentreerd dan wanneer ze op afstand van elkaar zouden worden opgeladen.

Daarom kan een condensator dienen als een apparaat dat een aanzienlijke hoeveelheid elektriciteit in zijn platen opslaat. Met andere woorden, een condensator is een opslag van elektrische energie.

De capaciteit van de condensator is gelijk aan:

C = eS / 4pl

waarbij C de capaciteit is; e is de diëlektrische constante van het diëlektricum; S — oppervlakte van één plaat in cm2, NS — constant getal (pi) gelijk aan 3,14; l — afstand tussen platen in cm.

Uit deze formule blijkt dat naarmate het oppervlak van de platen toeneemt, de capaciteit van de condensator toeneemt, en naarmate de afstand ertussen toeneemt, deze afneemt.

Laten we deze afhankelijkheid uitleggen. Hoe groter het oppervlak van de platen, hoe meer elektriciteit ze kunnen absorberen en daarom zal de capaciteit van de condensator groter zijn.

Naarmate de afstand tussen de platen kleiner wordt, neemt de onderlinge beïnvloeding (inductie) tussen hun ladingen toe, wat het mogelijk maakt om meer elektriciteit op de platen te concentreren en zo de capaciteit van de condensator te vergroten.

Dus als we een grote condensator willen, moeten we platen met een groot oppervlak nemen en ze isoleren met een dunne diëlektrische laag.

De formule laat ook zien dat naarmate de diëlektrische constante van het diëlektricum toeneemt, de capaciteit van de condensator toeneemt.

Daarom hebben condensatoren met dezelfde geometrische afmetingen maar met verschillende diëlektrica verschillende capaciteiten.

Als we bijvoorbeeld een condensator nemen met een luchtdiëlektricum waarvan de diëlektrische constante gelijk is aan één, en mica met een diëlektrische constante van 5 tussen zijn platen plaatsen, dan zal de capaciteit van de condensator met 5 keer toenemen.

Daarom worden materialen zoals mica, papier geïmpregneerd met paraffine, enz., waarvan de diëlektrische constante veel hoger is dan die van lucht, gebruikt als diëlektrica om een ​​grote capaciteit te verkrijgen.

Dienovereenkomstig worden de volgende soorten condensatoren onderscheiden: lucht, vast diëlektricum en vloeibaar diëlektricum.

Opladen en ontladen van de condensator. Bias stroom

Laten we een condensator met constante capaciteit in het circuit opnemen. Door de schakelaar op contact a te zetten, wordt de condensator opgenomen in het batterijcircuit. De naald van de milliampèremeter op het moment dat de condensator op de schakeling wordt aangesloten zal afwijken en dan nul worden.

DC-condensator

Daarom ging er een elektrische stroom in een bepaalde richting door het circuit. Als de schakelaar nu op contact b staat (d.w.z. sluit de platen), dan zal de milliampèremeternaald de andere kant op uitwijken en terug naar nul gaan. Er ging dus ook een stroom door het circuit, maar in een andere richting. Laten we dit fenomeen analyseren.

Toen de condensator op de batterij was aangesloten, werd deze opgeladen, dat wil zeggen dat de platen de ene positieve en de andere negatieve lading kregen. Facturering loopt door tot potentieel verschil tussen de condensatorplaten is niet gelijk aan de accuspanning. Een in serie geschakelde milliampèremeter in het circuit geeft de laadstroom van de condensator aan, die direct stopt nadat de condensator is opgeladen.

Wanneer de condensator werd losgekoppeld van de batterij, bleef deze opgeladen en was het potentiaalverschil tussen de platen gelijk aan de batterijspanning.

Zodra de condensator echter gesloten was, begon deze te ontladen en de ontlaadstroom ging door het circuit, maar al in de richting tegengesteld aan de laadstroom. Dit gaat door totdat het potentiaalverschil tussen de platen verdwijnt, dat wil zeggen totdat de condensator ontlaadt.

Daarom, als de condensator is opgenomen in het DC-circuit, zal de stroom alleen in het circuit vloeien op het moment dat de condensator wordt opgeladen, en in de toekomst zal er geen stroom in het circuit zijn, omdat het circuit zal worden verbroken door het diëlektricum van de condensator.

Daarom zeggen ze dat «Een condensator geen gelijkstroom doorlaat».

De hoeveelheid elektriciteit (Q) die kan worden geconcentreerd op de platen van de condensator, de capaciteit (C) en de waarde van de spanning die wordt geleverd aan de condensator (U) zijn gerelateerd aan de volgende relatie: Q = CU.

Deze formule laat zien dat hoe groter de capaciteit van de condensator, hoe meer elektriciteit erop kan worden geconcentreerd zonder de spanning op de platen aanzienlijk te verhogen.

Het verhogen van de DC-capaciteitsspanning verhoogt ook de hoeveelheid elektriciteit die door de condensator wordt opgeslagen. Als er echter een grote spanning op de platen van de condensator wordt aangelegd, kan de condensator worden "gebroken", dat wil zeggen, onder invloed van deze spanning zal het diëlektricum ergens instorten en de stroom er doorheen laten gaan. In dit geval zal de condensator niet meer werken. Om schade aan de condensatoren te voorkomen, geven ze de waarde van de toegestane bedrijfsspanning aan.

Fenomeen van diëlektrische polarisatie

Laten we nu analyseren wat er gebeurt in een diëlektricum wanneer een condensator wordt opgeladen en ontladen en waarom de waarde van de capaciteit afhangt van de diëlektrische constante?

Het antwoord op deze vraag geeft ons de elektronische theorie van de structuur van materie.

In een diëlektricum, zoals in elke isolator, zijn er geen vrije elektronen. In de atomen van het diëlektricum zijn de elektronen stevig gebonden aan de kern, daarom veroorzaakt de spanning die wordt toegepast op de platen van de condensator geen gerichte beweging van elektronen in het diëlektricum, d.w.z. elektrische stroom, zoals in het geval van draden.

Onder invloed van de elektrische veldkrachten die door de geladen platen worden gecreëerd, worden de elektronen die rond de atoomkern draaien echter verplaatst naar de positief geladen condensatorplaat. Tegelijkertijd wordt het atoom uitgerekt in de richting van de veldlijnen.Deze toestand van diëlektrische atomen wordt gepolariseerd genoemd en het fenomeen zelf wordt diëlektrische polarisatie genoemd.

Wanneer de condensator wordt ontladen, wordt de gepolariseerde toestand van het diëlektricum verbroken, dat wil zeggen, de verplaatsing van de elektronen ten opzichte van de kern veroorzaakt door de polarisatie verdwijnt en de atomen keren terug naar hun gebruikelijke ongepolariseerde toestand. Het bleek dat de aanwezigheid van diëlektricum het veld tussen de platen van de condensator verzwakt.

Verschillende diëlektrica onder invloed van hetzelfde elektrische veld polariseren in verschillende mate. Hoe gemakkelijker het diëlektricum wordt gepolariseerd, hoe meer het het veld verzwakt. Polarisatie van lucht resulteert bijvoorbeeld in minder veldverzwakking dan polarisatie van elk ander diëlektricum.

Maar door de verzwakking van het veld tussen de platen van de condensator kunt u zich op hen concentreren met een grotere hoeveelheid elektriciteit Q bij dezelfde spanning U, wat op zijn beurt leidt tot een toename van de capaciteit van de condensator, aangezien C = Q / U .

Dus kwamen we tot de conclusie: hoe groter de diëlektrische constante van het diëlektricum, hoe groter de capaciteit van de condensator die dit diëlektricum in zijn samenstelling bevat.

De verplaatsing van elektronen in de atomen van het diëlektricum, die, zoals we al zeiden, plaatsvindt onder invloed van de krachten van het elektrische veld, wordt gevormd in het diëlektricum, op het eerste moment van de actie van het veld, een elektrisch stroom Een afbuigstroom genoemd... Het wordt zo genoemd omdat, in tegenstelling tot de geleidingsstroom in metalen draden, de verplaatsingsstroom alleen wordt gegenereerd door de verplaatsing van elektronen die in hun atomen bewegen.

De aanwezigheid van deze biasstroom zorgt ervoor dat de condensator die is aangesloten op de AC-bron de geleider wordt.

Zie ook over dit onderwerp: Elektrisch en magnetisch veld: wat zijn de verschillen?

De belangrijkste kenmerken van het elektrische veld en de belangrijkste elektrische kenmerken van het medium (basistermen en definities)

Elektrische veldsterkte

Een vectorgrootheid die de krachtwerking van een elektrisch veld op elektrisch geladen lichamen en deeltjes karakteriseert, gelijk aan de limiet van de verhouding van de kracht waarmee het elektrische veld inwerkt op een stationair puntgeladen lichaam geïntroduceerd op het beschouwde punt van het veld naar de lading van dit lichaam wanneer deze lading naar nul neigt en waarvan wordt aangenomen dat de richting samenvalt met de richting van de kracht die werkt op een positief geladen puntlichaam.

Een elektrische veldlijn

Een lijn op een willekeurig punt waarvan de raaklijn eraan samenvalt met de richting van de elektrische veldsterktevector.

Elektrische polarisatie

De toestand van de materie die wordt gekenmerkt door het feit dat het elektrische moment van een bepaald volume van die stof een andere waarde heeft dan nul.

Elektrische geleiding

De eigenschap van een stof om, onder invloed van een elektrisch veld dat niet verandert in de tijd, een elektrische stroom te geleiden die niet verandert in de tijd.

Diëlektrisch

Een stof waarvan de belangrijkste elektrische eigenschap het vermogen is om te polariseren in een elektrisch veld en waarin het langdurig bestaan ​​van een elektrostatisch veld mogelijk is.

Een geleidende stof

Een stof waarvan de belangrijkste elektrische eigenschap elektrische geleidbaarheid is.

Regisseur

Geleidend lichaam.

Halfgeleidersubstantie (halfgeleider)

Een stof waarvan de elektrische geleidbaarheid ligt tussen een geleidende stof en een diëlektricum en waarvan de onderscheidende eigenschappen zijn: een uitgesproken afhankelijkheid van elektrische geleidbaarheid van temperatuur; verandering in elektrische geleidbaarheid bij blootstelling aan een elektrisch veld, licht en andere externe factoren; aanzienlijke afhankelijkheid van zijn elektrische geleidbaarheid van de hoeveelheid en aard van de geïntroduceerde onzuiverheden, wat het mogelijk maakt om de elektrische stroom te versterken en te corrigeren, en om sommige soorten energie om te zetten in elektriciteit.

Polarisatie (polarisatie-intensiteit)

Een vectorgrootheid die de mate van elektrische polarisatie van het diëlektricum kenmerkt, gelijk aan de limiet van de verhouding van het elektrische moment van een bepaald volume van het diëlektricum tot dit volume wanneer dit naar nul neigt.

Elektrische constante

Een scalaire grootheid die het elektrische veld in een holte karakteriseert, gelijk aan de verhouding van de totale elektrische lading in een bepaald gesloten oppervlak tot de stroom van de elektrische veldsterktevector door dit oppervlak in de leegte.

Absolute diëlektrische gevoeligheid

Een scalaire grootheid die de eigenschap kenmerkt van een diëlektricum om te worden gepolariseerd in een elektrische massa, gelijk aan de verhouding van de grootte van de polarisatie tot de grootte van de elektrische veldsterkte.

Diëlektrische gevoeligheid

De verhouding van de absolute diëlektrische gevoeligheid op het beschouwde punt van het diëlektricum tot de elektrische constante.

Elektrische verplaatsing

Een vectorgrootheid gelijk aan de geometrische som van de elektrische veldsterkte op het betreffende punt vermenigvuldigd met de elektrische constante en de polarisatie op hetzelfde punt.

Absolute diëlektrische constante

Een scalaire grootheid die de elektrische eigenschappen van een diëlektricum karakteriseert en gelijk is aan de verhouding van de grootte van de elektrische verplaatsing tot de grootte van de elektrische veldspanning.

De diëlektrische constante

De verhouding van de absolute diëlektrische constante op het beschouwde punt van het diëlektricum tot de elektrische constante.

Verplaatsing hoogspanningslijn

Een lijn op elk punt waarvan de raaklijn eraan samenvalt met de richting van de elektrische verplaatsingsvector.

Elektrostatische inductie

Het fenomeen van inductie van elektrische ladingen op een geleidend lichaam onder invloed van een extern elektrostatisch veld.

Stationair elektrisch veld

Het elektrische veld van elektrische stromen die niet veranderen in de tijd, op voorwaarde dat de stroomvoerende geleiders stationair zijn.

Potentieel elektrisch veld

Een elektrisch veld waarin de rotor van de elektrische veldsterktevector overal gelijk is aan nul.

Eddy elektrisch veld

Een elektrisch veld waarin de rotor van de intensiteitsvector niet altijd gelijk is aan nul.

Het verschil in elektrische potentialen op twee punten

Een scalaire grootheid die een potentieel elektrisch veld kenmerkt, gelijk aan de limiet van de verhouding van de arbeid van de krachten van dit veld, wanneer een positief geladen puntlichaam wordt overgedragen van het ene gegeven punt van het veld naar het andere, tot de lading van dit lichaam , wanneer de lading van het lichaam neigt naar nul (anders: gelijk aan de lijnintegraal van de elektrische veldsterkte van het ene gegeven punt naar het andere).

Elektrische potentiaal op een bepaald punt

Het verschil tussen de elektrische potentialen van een bepaald punt en een ander, gespecificeerd maar willekeurig gekozen punt.

Elektrische capaciteit van een enkele geleider

Een scalaire grootheid die het vermogen van een geleider kenmerkt om elektrische lading te accumuleren, gelijk aan de verhouding van de lading van de geleider tot zijn potentiaal, ervan uitgaande dat alle andere geleiders oneindig ver weg zijn en dat wordt aangenomen dat de potentiaal van het oneindig ver verwijderde punt nul is.

Elektrische capaciteit tussen twee enkele geleiders

Een scalaire waarde gelijk aan de absolute waarde van de verhouding van de elektrische lading op één geleider tot het verschil in elektrische potentialen van twee geleiders, op voorwaarde dat deze geleiders dezelfde grootte hebben maar een tegengesteld teken hebben en dat alle andere geleiders oneindig ver van elkaar verwijderd zijn.

Condensor

Een systeem van twee geleiders (platen) gescheiden door een diëlektricum ontworpen om de capaciteit tussen de twee geleiders te gebruiken.

Capaciteit van de condensator

De absolute waarde van de verhouding van de elektrische lading op een van de condensatorplaten tot het potentiaalverschil daartussen, op voorwaarde dat de platen ladingen hebben van dezelfde grootte en tegengesteld teken.

Capaciteit tussen twee geleiders in een draadsysteem (gedeeltelijke capaciteit)

De absolute waarde van de verhouding van de elektrische lading van een van de geleiders in het geleiderssysteem tot het potentiaalverschil tussen hem en een andere geleider, als alle geleiders, behalve de laatste, dezelfde potentiaal hebben; als de grond is opgenomen in het beschouwde systeem van draden, wordt het potentieel ervan als nul beschouwd.

Elektrisch veld van derden

Het veld veroorzaakt door thermische processen, chemische reacties, contactverschijnselen, mechanische krachten en andere niet-elektromagnetische (bij macroscopisch onderzoek) processen; gekenmerkt door een sterk effect op geladen deeltjes en lichamen in het gebied waar dit veld bestaat.

Geïnduceerd elektrisch veld

Een elektrisch veld dat wordt opgewekt door het in de tijd variërende magnetische veld.

Elektromotorische kracht E.d.S.

Een scalaire grootheid die het vermogen kenmerkt van een extern en geïnduceerd elektrisch veld om een ​​elektrische stroom op te wekken die gelijk is aan de lineaire integraal van de sterkte van de externe en geïnduceerde elektrische velden tussen twee punten langs het beschouwde pad of langs het beschouwde gesloten circuit.

Spanning

Een scalaire grootheid gelijk aan de lineaire integraal van de sterkte van het resulterende elektrische veld (elektrostatisch, stationair, extern, inductief) tussen twee punten langs het beschouwde pad.