Camp elèctric, inducció electrostàtica, capacitat i condensadors
Concepte de camp elèctric
Se sap que les forces de camp elèctric actuen a l'espai al voltant de les càrregues elèctriques. Nombrosos experiments amb cossos carregats ho confirmen completament. L'espai al voltant de qualsevol cos carregat és un camp elèctric en el qual actuen les forces elèctriques.
La direcció de les forces de camp s'anomenen línies de camp elèctric. Per tant, generalment s'accepta que un camp elèctric és un conjunt de línies de força.
Les línies de camp tenen certes propietats:
-
les línies de força sempre surten d'un cos carregat positivament i entren en un cos carregat negativament;
-
surten en totes direccions perpendiculars a la superfície del cos carregat i hi entren perpendicularment;
-
les línies de força de dos cossos de càrrega igual sembla que es repel·leixen, i els cossos amb càrrega oposada s'atrauen.
Les línies de força del camp elèctric estan sempre obertes quan es trenquen a la superfície dels cossos carregats.Els cossos carregats elèctricament interaccionen: amb càrrega oposada s'atrauen i es repel·len de la mateixa manera.
Els cossos (partícules) carregats elèctricament amb càrregues q1 i q2 interaccionen entre si amb una força F, que és una magnitud vectorial i es mesura en newtons (N). Els cossos amb càrregues oposades s'atrauen i amb càrregues semblants es repel·len.
La força d'atracció o repulsió depèn de la magnitud de les càrregues sobre els cossos i de la distància entre ells.
Els cossos carregats s'anomenen punts si les seves dimensions lineals són petites en comparació amb la distància r entre els cossos. La magnitud de la seva força d'interacció F depèn de la magnitud de les càrregues q1 i q2, de la distància r entre elles i de l'entorn on es troben les càrregues elèctriques.
Si no hi ha aire a l'espai entre els cossos, sinó algun altre dielèctric, és a dir, un no conductor de l'electricitat, aleshores la força d'interacció entre els cossos disminuirà.
El valor que caracteritza les propietats d'un dielèctric i que mostra quantes vegades augmentarà la força d'interacció entre càrregues si un determinat dielèctric és substituït per aire s'anomena permitivitat relativa d'un determinat dielèctric.
La constant dielèctrica és igual a: per a l'aire i els gasos — 1; per ebonita — 2 — 4; per mica 5 — 8; per a l'oli 2 — 5; per al paper 2 — 2,5; per a parafina — 2 — 2.6.
El camp electrostàtic de dos cossos carregats: a — tala es carreguen amb el mateix nom, b — els cossos es carreguen de manera diferent.
Inducció electrostàtica
Si un cos conductor A amb forma esfèrica, aïllat dels objectes circumdants, rep una càrrega elèctrica negativa, és a dir, per crear-hi un excés d'electrons, aleshores aquesta càrrega es distribuirà uniformement per la superfície del cos.Això es deu al fet que els electrons, que es repel·len mútuament, tendeixen a sortir a la superfície del cos.
Col·loquem un cos B sense càrrega, també aïllat dels objectes circumdants, al camp del cos A. Aleshores apareixeran càrregues elèctriques a la superfície del cos B, i al costat que mira al cos A, una càrrega oposada a la càrrega del cos A ( positiu ), i a l'altre costat, una càrrega amb el mateix nom que la càrrega del cos A (negatiu). Les càrregues elèctriques així distribuïdes romanen a la superfície del cos B mentre aquest es troba al camp del cos A. Si s'elimina el cos B del camp o s'elimina el cos A, aleshores la càrrega elèctrica a la superfície del cos B es neutralitza. Aquest mètode d'electrificació a distància s'anomena inducció electrostàtica o electrificació per influència.
El fenomen de la inducció electrostàtica
És obvi que aquest estat electrificat del cos es veu forçat i es manté exclusivament per l'acció de les forces del camp elèctric creat pel cos A.
Si fem el mateix quan el cos A està carregat positivament, aleshores els electrons lliures de la mà d'una persona es precipitaran cap al cos B, neutralitzaran la seva càrrega positiva i el cos B estarà carregat negativament.
Com més gran sigui el grau d'electrificació del cos A, és a dir, com més gran sigui el seu potencial, major potencial es pot electrificar mitjançant el cos d'inducció electrostàtica B.
Així vam arribar a la conclusió que el fenomen de la inducció electrostàtica fa possible que en determinades condicions s'acumulin electricitat a la superfície dels cossos conductors.
Qualsevol cos es pot carregar fins a un determinat límit, és a dir, a un determinat potencial; un augment del potencial més enllà del límit fa que el cos sigui expulsat a l'atmosfera circumdant. Els diferents cossos necessiten diferents quantitats d'electricitat per portar-los al mateix potencial. En altres paraules, diferents cossos contenen diferents quantitats d'electricitat, és a dir, tenen diferents capacitats elèctriques (o simplement capacitats).
La capacitat elèctrica és la capacitat d'un cos per contenir una certa quantitat d'electricitat mentre augmenta el seu potencial fins a un determinat valor. Com més gran sigui la superfície del cos, més càrrega elèctrica pot contenir aquest cos.
Si el cos té la forma d'una bola, aleshores la seva capacitat és directament proporcional al radi de la bola. La capacitat es mesura en farads.
Una farada és la capacitat d'un cos que, després de rebre una càrrega d'electricitat en un penjoll, augmenta el seu potencial en un volt... 1 farad = 1.000.000 de microfarads.
La capacitat elèctrica, és a dir, la propietat dels cossos conductors d'acumular càrrega elèctrica en si mateixos, s'utilitza àmpliament en enginyeria elèctrica. El dispositiu es basa en aquesta propietat condensadors elèctrics.
Capacitat del condensador
Un condensador està format per dues plaques metàl·liques (plaques), aïllades entre si amb una capa d'aire o un altre dielèctric (mica, paper, etc.).
Si a una de les plaques se li dóna una càrrega positiva i l'altra és negativa, és a dir, les carreguen de manera oposada, aleshores les càrregues de les plaques, que s'atreuen mútuament, es mantindran a les plaques. Això permet que es concentri molta més electricitat a les plaques que si es carreguessin a distància les unes de les altres.
Per tant, un condensador pot servir com a dispositiu que emmagatzema una quantitat important d'electricitat a les seves plaques. En altres paraules, un condensador és un emmagatzematge d'energia elèctrica.
La capacitat del condensador és igual a:
C = eS / 4pl
on C és la capacitat; e és la constant dielèctrica del dielèctric; S - àrea d'una placa en cm2, NS - nombre constant (pi) igual a 3,14; l — distància entre plaques en cm.
A partir d'aquesta fórmula, es pot veure que a mesura que augmenta l'àrea de les plaques, augmenta la capacitat del condensador i, a mesura que augmenta la distància entre elles, disminueix.
Expliquem aquesta dependència. Com més gran sigui l'àrea de les plaques, més electricitat podran absorbir i per tant la capacitat del condensador serà més gran.
A mesura que disminueix la distància entre les plaques, augmenta la influència mútua (inducció) entre les seves càrregues, fet que permet concentrar més electricitat a les plaques i, per tant, augmentar la capacitat del condensador.
Així, si volem aconseguir un gran condensador, hem d'agafar plaques amb una gran superfície i aïllar-les amb una fina capa dielèctrica.
La fórmula també mostra que a mesura que augmenta la constant dielèctrica del dielèctric, augmenta la capacitat del condensador.
Per tant, els condensadors amb les mateixes dimensions geomètriques però que contenen diferents dielèctrics tenen capacitats diferents.
Si, per exemple, agafem un condensador amb un dielèctric d'aire la constant dielèctrica del qual és igual a la unitat i posem mica amb una constant dielèctrica de 5 entre les seves plaques, aleshores la capacitat del condensador augmentarà 5 vegades.
Per tant, com a dielèctrics s'utilitzen materials com la mica, paper impregnat de parafina, etc., la constant dielèctrica dels quals és molt superior a la de l'aire, per obtenir una gran capacitat.
En conseqüència, es distingeixen els següents tipus de condensadors: aire, dielèctric sòlid i dielèctric líquid.
Càrrega i descàrrega del condensador. Corrent de polarització
Incloem un condensador de capacitat constant al circuit. En col·locar l'interruptor al contacte a, el condensador s'inclourà al circuit de la bateria. L'agulla del mil·liamperímetre en el moment en què el condensador està connectat al circuit es desviarà i després es convertirà en zero.
condensador de corrent continu
Per tant, un corrent elèctric passa pel circuit en una direcció determinada. Si ara l'interruptor es col·loca al contacte b (és a dir, tanqueu les plaques), aleshores l'agulla del mil·liamperímetre es desviarà en l'altra direcció i tornarà a zero. Per tant, també passava un corrent pel circuit, però en una direcció diferent. Analitzem aquest fenomen.
Quan el condensador estava connectat a la bateria, es carregava, és a dir, les seves plaques rebien una càrrega positiva i l'altra negativa. La facturació continua fins diferència potencial entre les plaques del condensador no és igual a la tensió de la bateria. Un mil·liamperímetre connectat en sèrie al circuit indica el corrent de càrrega del condensador, que s'atura immediatament després de carregar el condensador.
Quan el condensador es va desconnectar de la bateria, va romandre carregat i la diferència de potencial entre les seves plaques era igual a la tensió de la bateria.
Tanmateix, tan bon punt es va tancar el condensador, va començar a descarregar-se i el corrent de descàrrega passava pel circuit, però ja en la direcció oposada al corrent de càrrega. Això continua fins que la diferència de potencial entre les plaques desapareix, és a dir, fins que el condensador es descarrega.
Per tant, si el condensador s'inclou al circuit de CC, el corrent fluirà al circuit només en el moment de carregar el condensador, i en el futur no hi haurà corrent al circuit, perquè el circuit es trencarà pel dielèctric. del condensador.
Per això diuen que «Un condensador no passa corrent continu».
La quantitat d'electricitat (Q) que es pot concentrar a les plaques del condensador, la seva capacitat (C) i el valor de la tensió subministrada al condensador (U) es relacionen per la següent relació: Q = CU.
Aquesta fórmula mostra que com més gran és la capacitat del condensador, més electricitat es pot concentrar en ell sense augmentar significativament la tensió a les seves plaques.
L'augment de la tensió de la capacitat de CC també augmenta la quantitat d'electricitat emmagatzemada pel condensador. Tanmateix, si s'aplica una gran tensió a les plaques del condensador, el condensador es pot "trencar", és a dir, sota l'acció d'aquesta tensió, el dielèctric col·lapsarà en algun lloc i deixarà passar el corrent. En aquest cas, el condensador deixarà de funcionar. Per evitar danys als condensadors, indiquen el valor de la tensió de funcionament admissible.
Fenomen de polarització dielèctrica
Analitzem ara què passa en un dielèctric quan un condensador està carregat i descarregat i per què el valor de la capacitat depèn de la constant dielèctrica?
La resposta a aquesta pregunta ens dóna la teoria electrònica de l'estructura de la matèria.
En un dielèctric, com en qualsevol aïllant, no hi ha electrons lliures. En els àtoms del dielèctric, els electrons estan estretament units al nucli, per tant la tensió aplicada a les plaques del condensador no provoca un moviment direccional d'electrons en el seu dielèctric, és a dir. corrent elèctric, com en el cas dels cables.
Tanmateix, sota l'acció de les forces de camp elèctric creades per les plaques carregades, els electrons que giren al voltant del nucli atòmic es desplacen cap a la placa del condensador carregat positivament. Al mateix temps, l'àtom s'estira en la direcció de les línies de camp.Aquest estat dels àtoms dielèctrics s'anomena polaritzat, i el fenomen en si s'anomena polarització dielèctrica.
Quan es descarrega el condensador, es trenca l'estat polaritzat del dielèctric, és a dir, desapareix el desplaçament dels electrons respecte al nucli causat per la polarització i els àtoms tornen al seu estat no polaritzat habitual. Es va trobar que la presència de dielèctric debilita el camp entre les plaques del condensador.
Diferents dielèctrics sota l'acció del mateix camp elèctric es polaritzan en diferents graus. Com més fàcilment es polaritza el dielèctric, més debilita el camp. La polarització de l'aire, per exemple, provoca menys debilitament del camp que la polarització de qualsevol altre dielèctric.
Però el debilitament del camp entre les plaques del condensador permet concentrar-hi una major quantitat d'electricitat Q a la mateixa tensió U, que al seu torn condueix a un augment de la capacitat del condensador, ja que C = Q / U .
Així que vam arribar a la conclusió: com més gran sigui la constant dielèctrica del dielèctric, més gran serà la capacitat del condensador que conté aquest dielèctric en la seva composició.
El desplaçament dels electrons en els àtoms del dielèctric, que es produeix, com ja hem dit, sota l'acció de les forces del camp elèctric, es forma en el dielèctric, en el primer moment de l'acció del camp, un Anomenat corrent de deflexió... S'anomena així perquè, a diferència del corrent de conducció dels cables metàl·lics, el corrent de desplaçament només es genera pel desplaçament dels electrons que es mouen en els seus àtoms.
La presència d'aquest corrent de polarització fa que el condensador connectat a la font de CA es converteixi en el seu conductor.
Veure també sobre aquest tema: Camp elèctric i magnètic: quines són les diferències?
Les principals característiques del camp elèctric i les principals característiques elèctriques del medi (termes bàsics i definicions)
Intensitat del camp elèctric
Una magnitud vectorial que caracteritza l'acció de la força d'un camp elèctric sobre cossos i partícules carregats elèctricament, igual al límit de la relació de la força amb la qual actua el camp elèctric sobre un cos estacionari carregat puntualment introduït en el punt considerat del camp a la càrrega d'aquest cos quan aquesta càrrega tendeix a zero i la direcció del qual s'assumeix que coincideix amb la direcció de la força que actua sobre un cos puntual carregat positivament.
Una línia de camp elèctric
Una recta en qualsevol punt la tangent de la qual coincideix amb la direcció del vector d'intensitat del camp elèctric.
Polarització elèctrica
Estat de la matèria caracteritzat pel fet que el moment elèctric d'un volum determinat d'aquesta substància té un valor diferent de zero.
Conductivitat elèctrica
Propietat d'una substància de conduir, sota la influència d'un camp elèctric que no canvia en el temps, un corrent elèctric que no canvia en el temps.
Dielèctric
Substància la propietat elèctrica principal de la qual és la capacitat de polaritzar-se en un camp elèctric i en la qual és possible l'existència a llarg termini d'un camp electrostàtic.
Substància conductora
Substància la propietat elèctrica principal de la qual és la conductivitat elèctrica.
Director
Cos conductor.
Substància semiconductora (semiconductor)
Substància la conductivitat elèctrica de la qual és intermèdia entre una substància conductora i un dielèctric i les propietats distintives de la qual són: una pronunciada dependència de la conductivitat elèctrica de la temperatura; canvi en la conductivitat elèctrica quan s'exposa a un camp elèctric, llum i altres factors externs; dependència important de la seva conductivitat elèctrica de la quantitat i naturalesa de les impureses introduïdes, fet que permet amplificar i corregir el corrent elèctric, així com convertir alguns tipus d'energia en electricitat.
Polarització (intensitat de polarització)
Una magnitud vectorial que caracteritza el grau de polarització elèctrica del dielèctric, igual al límit de la relació del moment elèctric d'un determinat volum del dielèctric a aquest volum quan aquest tendeix a zero.
Constant elèctrica
Una quantitat escalar que caracteritza el camp elèctric en una cavitat, igual a la relació entre la càrrega elèctrica total continguda en una determinada superfície tancada i el flux del vector d'intensitat del camp elèctric a través d'aquesta superfície al buit.
Susceptibilitat dielèctrica absoluta
Una quantitat escalar que caracteritza la propietat d'un dielèctric de polaritzar-se en una massa elèctrica, igual a la relació entre la magnitud de la polarització i la magnitud de la intensitat del camp elèctric.
Sensibilitat dielèctrica
La relació de la susceptibilitat dielèctrica absoluta en el punt considerat del dielèctric a la constant elèctrica.
Desplaçament elèctric
Una magnitud vectorial igual a la suma geomètrica de la intensitat del camp elèctric en el punt considerat multiplicada per la constant elèctrica i la polarització en el mateix punt.
Constant dielèctrica absoluta
Una quantitat escalar que caracteritza les propietats elèctriques d'un dielèctric i igual a la relació entre la magnitud del desplaçament elèctric i la magnitud de la tensió del camp elèctric.
La constant dielèctrica
La relació de la constant dielèctrica absoluta en el punt considerat del dielèctric a la constant elèctrica.
Línia elèctrica de desplaçament
Una recta en cada punt del qual la tangent coincideix amb la direcció del vector de desplaçament elèctric.
Inducció electrostàtica
Fenomen d'inducció de càrregues elèctriques en un cos conductor sota la influència d'un camp electrostàtic extern.
Camp elèctric estacionari
El camp elèctric dels corrents elèctrics que no canvien en el temps, sempre que els conductors que porten corrent siguin estacionaris.
Camp elèctric potencial
Un camp elèctric en el qual el rotor del vector d'intensitat del camp elèctric és igual a zero a tot arreu.
Camp elèctric remolí
Un camp elèctric en el qual el rotor del vector intensitat no sempre és igual a zero.
La diferència de potencials elèctrics en dos punts
Una magnitud escalar que caracteritza un camp elèctric potencial, igual al límit de la relació del treball de les forces d'aquest camp, quan un cos puntual carregat positivament es transfereix d'un punt donat del camp a un altre, a la càrrega d'aquest cos. , quan la càrrega del cos tendeix a zero (en cas contrari: igual a la integral de línia de la intensitat del camp elèctric d'un punt donat a un altre).
Potencial elèctric en un punt donat
La diferència entre els potencials elèctrics d'un punt donat i un altre, especificat però escollit arbitràriament.
Capacitat elèctrica d'un sol conductor
Una magnitud escalar que caracteritza la capacitat d'un conductor d'acumular càrrega elèctrica, igual a la relació entre la càrrega del conductor i el seu potencial, suposant que tots els altres conductors estan infinitament distants i que el potencial del punt infinitament llunyà s'assumeix que és zero.
Capacitat elèctrica entre dos conductors únics
Un valor escalar igual al valor absolut de la relació entre la càrrega elèctrica d'un conductor i la diferència de potencials elèctrics de dos conductors, sempre que aquests conductors tinguin la mateixa magnitud però de signe oposat i que tots els altres conductors estiguin infinitament distants.
Condensador
Sistema de dos conductors (plaques) separats per un dielèctric dissenyat per utilitzar la capacitat entre els dos conductors.
Capacitat del condensador
El valor absolut de la relació entre la càrrega elèctrica d'una de les plaques del condensador i la diferència de potencial entre elles, sempre que les plaques tinguin càrregues de la mateixa magnitud i de signe oposat.
Capacitat entre dos conductors en un sistema de cables (capacitància parcial)
El valor absolut de la relació entre la càrrega elèctrica d'un dels conductors inclosos en el sistema de conductors i la diferència de potencial entre aquest i un altre conductor, si tots els conductors, excepte aquest últim, tenen el mateix potencial; si el sòl s'inclou en el sistema de cables considerat, llavors el seu potencial es considera zero.
Camp elèctric de tercers
El camp causat per processos tèrmics, reaccions químiques, fenòmens de contacte, forces mecàniques i altres processos no electromagnètics (en l'examen macroscòpic); caracteritzat per un fort efecte sobre les partícules carregades i els cossos situats a la zona on existeix aquest camp.
Camp elèctric induït
Un camp elèctric induït pel camp magnètic variable en el temps.
Força electromotriu E.d.S.
Una magnitud escalar que caracteritza la capacitat d'un camp elèctric extern i induït per induir un corrent elèctric igual a la integral lineal de la força dels camps elèctrics extern i induït entre dos punts al llarg del camí considerat o al llarg del circuit tancat considerat.
Voltatge
Una quantitat escalar igual a la integral lineal de la força del camp elèctric resultant (electrostàtic, estacionari, extern, inductiu) entre dos punts al llarg del camí considerat.