Електрическо поле, електростатична индукция, капацитет и кондензатори - Потенциална разлика,
Концепция за електрическо поле
Известно е, че в пространството около електрическите заряди действат силите на електричното поле. Многобройни експерименти върху заредени тела напълно потвърждават това. Пространството около всяко заредено тяло е електрическо поле, в което действат електрически сили.
Посоката на силите на полето се нарича линии на електрическото поле. Следователно условно се счита, че електрическото поле е набор от силови линии.
Полевите линии имат определени свойства :
- - силовите линии винаги напускат положително заредено тяло и влизат в отрицателно заредено тяло;
- - излизат във всички посоки перпендикулярно на повърхността на зареденото тяло и влизат перпендикулярно в него;
- - силовите линии на две еднакво заредени тела сякаш се отблъскват, а противоположно заредените тела се привличат.
Силовите линии на електрическото поле са винаги отворени, тъй като се прекъсват на повърхността на заредените тела. Електрически заредените тела взаимодействат помежду си: противоположно заредените тела се привличат, а еднакво заредените тела се отблъскват.
Силата на привличане или отблъскване зависи от големината на зарядите на телата и от разстоянието между тях.
Ако в пространството между телата няма въздух, а някакъв друг диелектрик, т.е. непроводник на електричество, тогава силата на взаимодействие между телата ще намалее.
Стойността, характеризираща свойствата на диелектрика и показваща колко пъти ще се увеличи силата на взаимодействие между зарядите, ако този диелектрик се замени с въздух, се нарича относителнадиелектрична проницаемост на дадения диелектрик.
Диелектричната проницаемост е:за въздух и газове - 1; за ебонит - 2 - 4; за слюда 5 - 8; за масло 2 - 5; за хартия 2 - 2,5; за парафин - 2 - 2,6.
Фиг. 1 Електростатичното поле на две заредени тела: a - телата са заредени с едно и също име, b - телата са заредени с противоположни имена
Електростатична индукция
Ако на проводимо тяло А със сферична форма, изолирано от околните обекти, се даде отрицателен електрически заряд, т.е. в него се създаде излишък от електрони, тогава този заряд ще бъде равномерно разпределен по повърхността на тялото. Това се случва, защото електроните, отблъсквайки се взаимно, се стремят да достигнат повърхността на тялото.
Нека поставим незаредено тяло B, също изолирано от околните обекти, в полето на тялото A. Тогава на повърхността на тялото B ще се появят електрически заряди, а от страната, обърната към тялото A, се образува заряд, който е противоположен на заряда на тялото A (положителен), а от другата страна, заряд със същото име като заряда на тяло A (отрицателен). Електрическите заряди, разпределени по този начин, остават на повърхността на тялото B, докато то е в полето на тялото A. Ако тялото B се отстрани от полето или тялото A се отстрани, тогава електрическият заряд на повърхността на тялото B се неутрализира. Този метод на наелектризиране от разстояние се нарича електростатична индукция или наелектризиране чрез въздействие.
Фиг. 2 Феноменът на електростатичната индукция
Очевидно е, че такова електрифицирано състояние на тялото е принудено и се поддържа единствено от действието на силите на електрическото поле, създадено от тяло А.
Ако направим същото, когато тяло А е положително заредено, тогава свободни електрониот ръката на човек ще се втурне към тялото B, неутрализира неговия положителен заряд, а тялото B ще бъде отрицателно заредено.
Колкото по-висока е степента на наелектризиране на тялото A, т.е. колкото по-висок е неговият потенциал, толкова по-голям е потенциалът, че тялото B може да бъде наелектризирано чрез електростатична индукция.
Така стигнахме до извода, че явлението електростатична индукция позволява при определени условия да се натрупва електричество върху повърхността на проводящи тела.
Всяко тяло може да бъде заредено до определена граница, тоест до определен потенциал; увеличаването на потенциала над границата води до изхвърляне на тялото в околната атмосфера. Различните тела се нуждаят от различни количества електричество, за да достигнат същия потенциал. С други думи,различните тела съдържат различни количества електричество, т.е.имат различен електрически капацитет (или просто капацитет).
Електрическият капацитет е способността на тялото да съдържа определено количество електричество, като същевременно увеличава своя потенциал до определена стойност. Колкото по-голяма е повърхността на тялото, толкова по-голям е електрическият заряд, който това тяло може да поеме.
Ако тялото има формата на топка, тогава неговият капацитет е в пряка зависимост от радиуса на топката. Капацитетът се измерва във фаради.
Фарад -- капацитетът на такова тяло, което, след като получи заряд от електричество в един висулка, увеличава своя потенциал с един волт.1 фарад = 1 000 000 микрофарада.
Електрическият капацитет, т.е. свойството на проводящите тела да натрупват електрически заряд в себе си, се използва широко в електротехниката. Устройството на електрическите кондензатори се основава на това свойство.
Капацитет на кондензатора
Кондензаторът се състои от две метални пластини (плочи), изолирани една от друга със слой въздух или някакъв друг диелектрик (слюда, хартия и др.).
Ако една от плочите получи положителен заряд, а другата е отрицателна, т.е. те са заредени противоположно, тогава зарядите на плочите, взаимно привличащи се, ще се задържат върху плочите. Това позволява много по-голямо количество електричество да се концентрира върху плочите, отколкото ако се зареждат на разстояние една от друга.
Следователно кондензаторът може да служи като устройство, което съхранява значително количество електричество върху своите плочи. С други думи,кондензаторът е запас от електрическа енергия.
Капацитетът на кондензатора е:
С = eS / 4pl
където C е капацитетът; e е диелектричната проницаемост на диелектрика; S е площта на една плоча в cm2, p е постоянно число, равно на 3,14; l е разстоянието между плочите в cm.
От тази формула може да се види, че с увеличаване на площта на плочите, капацитетът на кондензатора се увеличава и с увеличаване на разстоянието между тях намалява.
Нека обясним тази зависимост.Колкото по-голяма е площта на плочите, толкова повече електричество могат да задържат и следователно капацитетът на кондензатора ще бъде по-голям.
Когато разстоянието между плочите намалява, взаимното влияние (индукция) между техните заряди се увеличава, което прави възможно концентрирането на повече електричество върху плочите и следователно увеличаване на капацитета на кондензатора.
По този начин, ако искаме да получим голям кондензатор, трябва да вземем пластини с голяма площ и да ги изолираме с тънък слой диелектрик.
Формулата също така показва, чес увеличаване на диелектрикапропускливостта на диелектрика, капацитетът на кондензатора се увеличава.
Следователно, кондензатори, които са равни по своите геометрични размери, но съдържат различни диелектрици, имат различен капацитет.
Ако например вземем кондензатор с въздушен диелектрик, чиято диелектрична константа е равна на единица, и поставим слюда с диелектрична константа 5 между плочите му, тогава капацитетът на кондензатора ще се увеличи 5 пъти.
Ето защо, за да се получат големи капацитети, като диелектрици се използват материали като слюда, хартия, импрегнирана с парафин и др., чиято диелектрична проницаемост е много по-голяма от тази на въздуха.
В съответствие с товасе разграничават следните видове кондензатори : въздушни, с твърд диелектрик и с течен диелектрик.
Зареждане и разреждане на кондензатор. Ток на отклонение
Свържете постоянен кондензатор към веригата. Когато превключвателят е настроен на клемаa, кондензаторът ще бъде свързан към веригата на батерията. Стрелката на милиамперметъра в момента, в който кондензаторът е свързан към веригата, ще се отклони и след това ще стане нула.
DC кондензатор
Следователно през веригата е преминал електрически ток в определена посока. Ако сега превключвателят е поставен на контактb(т.е. затворете плочите), тогава стрелката на милиамперметъра ще се отклони в другата посока и отново ще стане нула. Следователно през веригата също е преминал ток, но в друга посока. Нека анализираме това явление.
Когато кондензаторът беше свързан към батерията, той беше зареден, т.е. неговите пластини получиха един положителен, а другия отрицателен заряд. Зареждането продължи, докато потенциалната разлика между плочите на кондензатора се изравни с напрежението на батерията. милиамперметър,свързани последователно във веригата, показва зарядния ток на кондензатора, който спира веднага щом кондензаторът се зареди.
Когато кондензаторът беше изключен от батерията, той остана зареден и потенциалната разлика между неговите пластини беше равна на напрежението на батерията.
Въпреки това, веднага щом кондензаторът беше затворен, той започна да се разрежда и разрядният ток премина през веригата, но в посока, обратна на тока на зареждане. Това продължи, докато потенциалната разлика между плочите изчезна, тоест докато кондензаторът се разреди.
Следователно,, ако кондензаторът е свързан към верига с постоянен ток, тогава токът ще тече във веригата само в момента, в който кондензаторът е зареден, и няма да има ток във веригата, тъй като веригата ще бъде прекъсната от диелектрика на кондензатора.
Затова се казва, че "кондензаторът не пропуска постоянен ток ".
Количеството електричество (Q), което може да се концентрира върху плочите на кондензатора, неговият капацитет (C) и големината на напрежението, подадено към кондензатора
(U) са свързани със следната връзка:
Тази формула показва, че колкото по-голям е капацитетът на един кондензатор, толкова повече електричество може да се концентрира върху него, без значително да се увеличи напрежението върху неговите пластини.
Увеличаването на напрежението с постоянен капацитет също води до увеличаване на количеството електричество, съхранявано от кондензатора. Въпреки това, ако към пластините на кондензатора се приложи голямо напрежение, тогава кондензаторът може да бъде "счупен", т.е. под въздействието на това напрежение диелектрикът ще се срути на някое място и ще остави тока да премине през себе си. След това кондензаторът ще спре да работи. За да се избегне повреда на кондензаторите, те показват стойността на допустимото работно напрежение.
Феноменът на поляризациятадиелектрик
Нека сега анализираме какво се случва в диелектрика, когато кондензаторът се зарежда и разрежда, и защо стойността на капацитета зависи от диелектричната константа на диелектрика?
Отговор на този въпрос ни дава електронната теория за структурата на материята.
В диелектрика, както във всеки изолатор, няма свободни електрони. В атомите на диелектрика електроните са здраво свързани с ядрото, следователно напрежението, приложено към плочите на кондензатора, не предизвиква насочено движение на електрони в неговия диелектрик, т.е. електрически ток, както се случва в проводниците.
Но под въздействието на силите на електрическото поле, създадено от заредените плочи, електроните, въртящи се около ядрото на атома, се изместват към положително заредената кондензаторна плоча. В този случай атомът, така да се каже, е опънат в посоката на силовите линии на полето. Такова състояние на атомите на диелектрика се нарича поляризирано, а самото явление се нарича поляризация на диелектрика.
Когато кондензаторът се разреди, поляризираното състояние на диелектрика се нарушава, т.е. изместването на електроните спрямо ядрото, причинено от поляризацията, изчезва и атомите се връщат в обичайното си неполяризирано състояние. Установено е, че наличието на диелектрик отслабва полето между пластините на кондензатора.
Различните диелектрици под действието на едно и също електрическо поле се поляризират в различна степен. Колкото по-лесно е поляризиран диелектрикът, толкова повече отслабва полето. Поляризацията на въздуха, например, води до по-малко отслабване на полето, отколкото поляризацията на всеки друг диелектрик.
Но отслабването на полето между плочите на кондензатора позволява да се концентрира върху тях по-голямо количество електричество Q при същото напрежение U, което от своя страна води до увеличаване на капацитета на кондензатора, тъй като C \u003d Q / U.
Така че ниезаключение --колкото по-голяма е диелектричната константа
диелектрик, толкова по-голям капацитет има кондензатор, съдържащ този диелектрик.
Изместването на електрони в атомите на диелектрика, което, както вече казахме, под въздействието на силите на електрическото поле, образува в диелектрика, в първия момент на действие на полето, електрически ток, нареченток на изместване. Наречен е така, защото за разлика от тока на проводимост в металните проводници, токът на изместване се образува само от изместването на електрони, движещи се в техните атоми.
Наличието на този ток на отклонение кара кондензатора, свързан към източника на променлив ток, да стане негов проводник.