Електричне поле, електростатична індукція, ємність та конденсатори.
Поняття про електричне поле
Відомо, що у просторі, що оточує електричні заряди, діють сили електричного поля. Численні досліди над зарядженими тілами повністю підтверджують це. Простір, що оточує будь-яке заряджене тіло, є електричним полем, де діють електричні сили.
Напрямок сил поля називають силовими лініями електричного поля. Тому умовно вважають, що електричне поле є сукупність силових ліній .
Силові лінії поля мають певні властивості :
- -Силові лінії виходять завжди з позитивно зарядженого тіла, а входять у тіло, заряджене негативно;
- -вони виходять на всі боки перпендикулярно поверхні зарядженого тіла і перпендикулярно входять до нього;
- -силові лінії двох однойменно заряджених тіл як би відштовхуються одна від одної, а різноіменно заряджених - притягуються.
Силові лінії електричного поля завжди розімкнені, тому що вони обриваються на поверхні заряджених, тел. Електрично заряджені тіла взаємодіють один з одним: різноіменно заряджені притягуються, а однойменно заряджені відштовхуються.
Сила тяжіння чи відштовхування залежить від величини зарядів тіл та від відстані між ними.
Якщо просторі між тілами буде повітря, а якийсь інший діелектрик, т. е. непровідник електрики, то сила взаємодії між тілами зменшиться.
Величина, що характеризує властивості діелектрика і показує, у скільки разів сила взаємодії між зарядами збільшиться, якщо діелектрик замінити повітрям, називається відносноюдіелектричною проникністю даного діелектрика.
Діелектрична проникність дорівнює: для повітря і газів - 1; для ебоніту – 2 – 4; для слюди 5 – 8; для олії 2 - 5; для паперу 2 – 2,5; для парафіну – 2 – 2,6 .
Мал. 1 Електростатичне поле двох заряджених тіл: а - тала заряджені однойменно, б - тіла заряджені різнименно
Електростатична індукція
Якщо тілу А, що проводить, кулястої форми, ізольованому від навколишніх предметів, повідомити негативний електричний заряд, тобто створити в ньому надлишок електронів, то цей заряд рівномірно розподілиться по поверхні тіла. Так відбувається тому, що електрони, відштовхуючись один від одного, прагнуть вийти на поверхню тіла.
Помістимо незаряджене тіло Б, також ізольоване від навколишніх предметів, у полі тіла А. Тоді на поверхні тіла Б з'являться електричні заряди, причому на боці, зверненій до тіла А, утворюється заряд, протилежний заряду тіла А (позитивний), а на іншій стороні - - Заряд, однойменний із зарядом тіла А (негативний). Електричні заряди, розподіляючись таким чином, залишаються на поверхні тіла Б доти, доки воно знаходиться в полі тіла А. Якщо тіло Б винести з поля або видалити тіло А, то електричний заряд на поверхні тіла Б нейтралізується. Такий спосіб електризації на відстані називається електростатичною індукцією або електризацією у вигляді впливу.
Мал. 2 Явище електростатичної індукції
Очевидно, що такий наелектризований стан тіла є вимушеним і підтримується виключно дією сил електричного поля, створеного тілом А.
Якщо виконати те саме, коли тіло А буде заряджено позитивно, то вільні електрониз руки людини спрямують до тіла Б, нейтралізують його позитивний заряд, і тіло Б виявиться зарядженим негативно.
Чим вищим буде ступінь електризації тіла А, тобто чим вищий його потенціал, тим до більшого потенціалу можна наелектризувати за допомогою електростатичної індукції тіло Б.
Таким чином, ми дійшли висновку, що електростатична індукція дає можливість за певних умов накопичувати електрику на поверхні провідних тіл.
Кожне тіло можна зарядити до певної межі, тобто до певного потенціалу; підвищення потенціалу понад граничне тягне у себе розряд тіла у навколишню атмосферу. Для різних тіл необхідна різна кількість електрики, щоб довести їх до того самого потенціалу. Інакше кажучи,різні тіла вміщують різну кількість електрики, тобто.мають різну електричну ємність (або просто ємність).
Електричною ємністю називається здатність тіла вміщувати у собі певну кількість електрики, підвищуючи при цьому свій потенціал до певної величини. Чим більша поверхня тіла, тим більший електричний заряд може вмістити це тіло.
Якщо тіло має форму кулі, то ємність його знаходиться у прямій залежності від радіусу кулі. Місткість вимірюють фарадами.
Фарада - ємність такого тіла, яке, отримавши заряд електрики в один кулон, підвищує свій потенціал на один вольт.1 фарада = 1000000 мікрофарад.
Електрична ємність, тобто властивість провідних тіл накопичувати в собі електричний заряд, широко використовується в електротехніці. На цій властивості засновано влаштування електричних конденсаторів.
Ємкість конденсатора
Конденсатор складається з двох металевих пластин (обкладок), ізольованих одна від одної прошарком повітря або будь-яким іншим діелектриком (слюдою, папером тощо).
Якщо одній із пластин повідомити позитивний заряд, а інший негативний, тобто протилежно зарядити їх, то заряди пластин, взаємно притягуючись, будуть утримуватися на пластинах. Це дозволяє зосередити на пластинах набагато більшу кількість електрики, ніж якби заряджати їх у віддаленні одна від одної.
Отже, конденсатор може служити пристроєм, що запасає на своїх обкладинках значну кількість електрики. Інакше висловлюючись,конденсатор - це накопичувач електричної енергії.
Ємність конденсатора дорівнює:
С = еS / 4рl
де З - ємність; е - діелектрична проникність діелектрика; S - площа однієї пластини см2, р - постійне число, що дорівнює 3,14; l - відстань між пластинами див.
З цієї формули видно, що зі збільшенням площі пластин ємність конденсатора збільшується, а зі збільшенням відстані між ними зменшується.
Пояснимо цю залежність.Чим більше площа пластин, тим більша кількість електрики вони здатні вмістити, а отже, і ємність конденсатора буде більшою.
При зменшенні відстані між пластинами зростає взаємний вплив (індукція) між їх зарядами, що дозволяє зосередити на пластинах більшу кількість електрики, а отже, збільшити ємність конденсатора.
Таким чином, якщо ми хочемо отримати конденсатор великої ємності, ми маємо брати пластини великої площі та ізолювати їх між собою тонким шаром діелектрика.
Формула показує також, щозі збільшенням діелектричноїпроникності діелектрика ємність конденсатора збільшується.
Отже, конденсатори, рівні за своїми геометричними розмірами, але які містять у собі різні діелектрики, мають різну ємність.
Якщо, наприклад, взяти конденсатор з повітряним діелектриком, діелектрична проникність якого дорівнює одиниці, і помістити між його пластинами слюду з діелектричною проникністю 5, ємність конденсатора зросте в 5 разів.
Ось чому для отримання великих ємностей як діелектрики використовують такі матеріали, як слюда, папір, просочена парафіном, та ін, діелектрична проникність яких значно більша, ніж у повітря.
Відповідно до цьогорозрізняють такі типи конденсаторів : повітряні, з твердим діелектриком і рідким діелектриком.
Заряд та розряд конденсатора. Струм зміщення
Включимо конденсатор постійної ємності у ланцюг. У разі встановлення перемикача на контактаконденсатор буде включений у ланцюг батареї. Стрілка міліамперметра в момент включення конденсатора в ланцюг відхилиться і потім стане на нуль.
Конденсатор у ланцюгу постійного струму
Отже, ланцюгом пройшов електричний струм у певному напрямку. Якщо тепер перемикач поставити на контактб(тобто замкнути обкладки), то стрілка міліамперметра відхилиться в інший бік і знову стане на нуль. Отже, ланцюгом також пройшов струм, але вже іншого напряму. Розберемо це.
Коли конденсатор був підключений до батареї, він заряджався, тобто його обкладки отримували одна позитивна, а інша негативний заряди. Заряд продовжувався доти, доки різниця потенціалів між обкладками конденсатора не зрівнялася з напругою батареї. Мілліамперметр,включений послідовно в ланцюг, показав струм заряду конденсатора, який припинився, як тільки конденсатор зарядився.
Коли ж конденсатор відключили від батареї, він залишився зарядженим, і різниця потенціалів між його обкладками дорівнювала напрузі батареї.
Однак, як тільки замкнули конденсатор, він почав розряджатися, і ланцюгом пішов струм розряду, але вже в напрямку, зворотному струму заряду. Це тривало доти, доки зникла різниця потенціалів між обкладками, т. е. доки конденсатор не розрядився.
Отже, якщо конденсатор включити в ланцюг постійного струму, то в ланцюзі піде струм тільки в момент заряду конденсатора, а надалі струму в ланцюзі не буде, так як ланцюг буде розірваний діелектриком конденсатора.
Тому кажуть, що "конденсатор не пропускає постійного струму ".
Кількість електрики (Q), яку можна зосередити на пластинах конденсатора, його ємність (С) і величина напруги, що підводиться до конденсатора
(U) пов'язані наступною залежністю:
Ця формула показує, що чим більша ємність конденсатора, тим більша кількість електрики можна зосередити на ньому, не підвищуючи напруги на його обкладках.
Підвищення напруги при незмінній ємності також призводить до збільшення кількості електрики, що запасається конденсатором. Однак якщо до обкладок конденсатора підвести велику напругу, то конденсатор може бути "пробитий", тобто під дією цієї напруги діелектрик в якомусь місці зруйнується і пропустить через себе струм. Конденсатор при цьому припинить свою дію. Щоб уникнути псування конденсаторів, на них вказують величину припустимої робочої напруги.
Явлення поляризаціїдіелектрика
Розберемо тепер, що відбувається у діелектриці при заряді та розряді конденсатора і чому від діелектричної проникності діелектрика залежить величина ємності?
Відповідь це питання дає нам електронна теорія будови речовини.
У діелектриці, як у кожному ізоляторі, немає вільних електронів. В атомах діелектрика електрони міцно пов'язані з ядром, тому напруга, прикладена до пластин конденсатора, не викликає його діелектрики спрямованого руху електронів, тобто електричного струму, як це буває в провідниках.
Однак під дією сил електричного поля, створеного зарядженими пластинами, електрони, що обертаються навколо ядра атома, зміщуються у бік зарядженої позитивно пластини конденсатора. Атом у своїй хіба що витягується за напрямом силових ліній поля. Такий стан атомів діелектрика називають поляризованим, а саме явище - поляризацією діелектрика.
При розряді конденсатора поляризований стан діелектрика порушується, тобто зникає викликане поляризацією зміщення електронів щодо ядра, і атоми приходять у свій звичайний неполяризований стан. Встановлено, що наявність діелектрика послаблює поле між пластинами конденсатора.
Різні діелектрики під впливом однієї й тієї ж електричного поля поляризуються різною мірою. Чим легше поляризується діелектрик, тим більше послаблює поле. Поляризація повітря, наприклад, призводить до меншого ослаблення поля, ніж поляризація іншого діелектрика.
Але ослаблення поля між пластинами конденсатора дозволяє зосередити на них більшу кількість електрики Q при тому самому напрузі U, що у свою чергу, призводить до збільшення ємності конденсатора, так як С = Q / U.
Отже, мидійшли висновку -що більше діелектрична проникність
діелектрика, тим більше ємністю володіє конденсатор, що містить у своєму складі цей діелектрик.
Зміщення електронів в атомах діелектрика, що відбувається, як ми вже говорили, під дією сил електричного поля, утворює в діелектриці, в перший момент дії поля електричний струм, званий струмом зміщення. Так він названий тому, що на відміну від струму провідності в металевих провідниках, струм усунення утворюється лише усуненням електронів, що пересуваються в межах своїх атомів.
Наявність цього струму усунення призводить до того, що конденсатор, підключений до джерела змінного струму, стає його провідником.