Elektrisches Feld, elektrostatische Induktion, Kapazität und Kondensatoren

Konzept des elektrischen Feldes

Es ist bekannt, dass elektrische Feldkräfte im Raum um elektrische Ladungen wirken. Zahlreiche Experimente an geladenen Körpern bestätigen dies voll und ganz. Der Raum um jeden geladenen Körper herum ist ein elektrisches Feld, in dem elektrische Kräfte wirken.

Die Richtung der Feldkräfte nennt man elektrische Feldlinien. Daher wird allgemein angenommen, dass ein elektrisches Feld eine Ansammlung von Kraftlinien ist.

Die Feldlinien haben bestimmte Eigenschaften:

• Kraftlinien verlassen immer einen positiv geladenen Körper und treten in einen negativ geladenen Körper ein;

• sie treten in allen Richtungen senkrecht zur Oberfläche des geladenen Körpers aus und treten senkrecht in ihn ein;

• Die Kraftlinien zweier gleich geladener Körper scheinen sich gegenseitig abzustoßen, und entgegengesetzt geladene Körper ziehen sich an.

Die elektrischen Feldlinien der Kraft sind immer offen, wenn sie an der Oberfläche geladener Körper brechen.Elektrisch geladene Körper interagieren: Entgegengesetzt geladene Körper ziehen sich an und stoßen sich gleichermaßen ab.

Elektrisch geladene Körper (Teilchen) mit den Ladungen q1 und q2 interagieren miteinander mit einer Kraft F, die eine Vektorgröße ist und in Newton (N) gemessen wird. Körper mit entgegengesetzter Ladung ziehen sich gegenseitig an und mit ähnlicher Ladung stoßen sie sich ab.

Die Anziehungs- oder Abstoßungskraft hängt von der Größe der Ladungen auf den Körpern und vom Abstand zwischen ihnen ab.

Geladene Körper heißen Punkt, wenn ihre linearen Abmessungen klein im Vergleich zum Abstand r zwischen den Körpern sind. Die Größe ihrer Wechselwirkungskraft F hängt von der Größe der Ladungen q1 und q2, dem Abstand r zwischen ihnen und der Umgebung ab, in der sich die elektrischen Ladungen befinden.

Befindet sich im Raum zwischen den Körpern keine Luft, sondern ein anderes Dielektrikum, also ein Nichtleiter der Elektrizität, dann nimmt die Wechselwirkungskraft zwischen den Körpern ab.

Der Wert, der die Eigenschaften eines Dielektrikums charakterisiert und angibt, wie oft sich die Wechselwirkungskraft zwischen Ladungen erhöht, wenn ein bestimmtes Dielektrikum durch Luft ersetzt wird, wird als relative Permittivität eines bestimmten Dielektrikums bezeichnet.

Die Dielektrizitätskonstante beträgt: für Luft und Gase – 1; für Ebonit – 2 – 4; für Glimmer 5 – 8; für Öl 2 – 5; für Papier 2 – 2,5; für Paraffin – 2 – 2,6.

Das elektrostatische Feld zweier geladener Körper: a – Tala sind mit demselben Namen geladen, b – Körper sind unterschiedlich geladen

Elektrostatische Induktion

Wenn einem leitenden Körper A mit Kugelform, der von umgebenden Objekten isoliert ist, eine negative elektrische Ladung gegeben wird, das heißt, um darin einen Elektronenüberschuss zu erzeugen, wird diese Ladung gleichmäßig über die Oberfläche des Körpers verteilt.Dies liegt daran, dass die Elektronen, die sich gegenseitig abstoßen, dazu neigen, an die Oberfläche des Körpers zu gelangen.

Wir platzieren einen ungeladenen Körper B, der ebenfalls von umgebenden Objekten isoliert ist, im Feld von Körper A. Dann erscheinen elektrische Ladungen auf der Oberfläche von Körper B und auf der Seite, die Körper A zugewandt ist, eine Ladung, die der Ladung von Körper A entgegengesetzt ist ( positiv ) und auf der anderen Seite - eine Ladung mit dem gleichen Namen wie die Ladung des Körpers A (negativ). Die so verteilten elektrischen Ladungen verbleiben auf der Oberfläche von Körper B, während dieser sich im Feld von Körper A befindet. Wenn Körper B aus dem Feld entfernt wird oder Körper A entfernt wird, wird die elektrische Ladung auf der Oberfläche von Körper B neutralisiert. Diese Methode der Elektrifizierung aus der Ferne wird als elektrostatische Induktion oder Elektrifizierung durch Einfluss bezeichnet.

Das Phänomen der elektrostatischen Induktion

Es ist offensichtlich, dass ein solcher elektrifizierter Zustand des Körpers ausschließlich durch die Wirkung der Kräfte des von Körper A erzeugten elektrischen Feldes erzwungen und aufrechterhalten wird.

Wenn wir dasselbe tun, wenn Körper A positiv geladen ist, strömen die freien Elektronen aus der Hand einer Person zu Körper B, neutralisieren dessen positive Ladung und Körper B wird negativ geladen.

Je höher der Elektrifizierungsgrad des Körpers A ist, d. h. je größer sein Potenzial, desto größer ist das Potenzial, das Körper B mittels elektrostatischer Induktion elektrisieren kann.

Wir kamen daher zu dem Schluss, dass das Phänomen der elektrostatischen Induktion unter bestimmten Bedingungen eine Akkumulation ermöglicht Elektrizität auf der Oberfläche leitfähiger Körper.

Jeder Körper kann bis zu einer bestimmten Grenze, also einem bestimmten Potenzial, aufgeladen werden; Ein Anstieg des Potenzials über den Grenzwert hinaus führt dazu, dass der Körper in die umgebende Atmosphäre geschleudert wird. Verschiedene Körper benötigen unterschiedliche Mengen an Elektrizität, um das gleiche Potenzial zu erreichen. Mit anderen Worten: Verschiedene Körper enthalten unterschiedliche Mengen an Elektrizität, das heißt, sie haben unterschiedliche elektrische Kapazitäten (oder einfach Kapazitäten).

Die elektrische Kapazität ist die Fähigkeit eines Körpers, eine bestimmte Menge Elektrizität zu speichern und gleichzeitig sein Potenzial auf einen bestimmten Wert zu steigern. Je größer die Körperoberfläche, desto mehr elektrische Ladung kann der Körper aufnehmen.

Wenn der Körper die Form einer Kugel hat, ist seine Kapazität direkt proportional zum Radius der Kugel. Die Kapazität wird in Farad gemessen.

Ein Farada ist die Kapazität eines solchen Körpers, der, nachdem er in einem Anhänger mit Elektrizität aufgeladen wurde, sein Potenzial um ein Volt erhöht ... 1 Farad = 1.000.000 Mikrofarad.

Die elektrische Kapazität, also die Eigenschaft leitfähiger Körper, in sich elektrische Ladung anzusammeln, wird in der Elektrotechnik häufig genutzt. Das Gerät basiert auf dieser Eigenschaft elektrische Kondensatoren.

Kapazität des Kondensators

Ein Kondensator besteht aus zwei Metallplatten (Platten), die durch eine Luftschicht oder ein anderes Dielektrikum (Glimmer, Papier usw.) voneinander isoliert sind.

Wenn eine der Platten positiv und die andere negativ geladen wird, also entgegengesetzt geladen wird, bleiben die Ladungen der Platten, die sich gegenseitig anziehen, auf den Platten erhalten. Dadurch kann viel mehr Strom auf den Platten konzentriert werden, als wenn sie in einiger Entfernung voneinander aufgeladen würden.

Daher kann ein Kondensator als Gerät dienen, das in seinen Platten eine erhebliche Menge Strom speichert. Mit anderen Worten: Ein Kondensator ist ein Speicher für elektrische Energie.

Die Kapazität des Kondensators ist gleich:

C = eS / 4pl

wobei C die Kapazität ist; e ist die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums; S – Fläche einer Platte in cm2, NS – konstante Zahl (pi) gleich 3,14; l – Abstand zwischen den Platten in cm.

Aus dieser Formel ist ersichtlich, dass mit zunehmender Fläche der Platten die Kapazität des Kondensators zunimmt und mit zunehmendem Abstand zwischen ihnen abnimmt.

Lassen Sie uns diese Abhängigkeit erklären. Je größer die Fläche der Platten ist, desto mehr Strom können sie aufnehmen und desto größer ist die Kapazität des Kondensators.

Mit abnehmendem Abstand zwischen den Platten nimmt die gegenseitige Beeinflussung (Induktion) zwischen ihren Ladungen zu, was es ermöglicht, mehr Elektrizität auf den Platten zu konzentrieren und damit die Kapazität des Kondensators zu erhöhen.

Wenn wir also einen großen Kondensator erhalten möchten, müssen wir Platten mit großer Fläche nehmen und diese mit einer dünnen dielektrischen Schicht isolieren.

Die Formel zeigt auch, dass mit zunehmender Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums die Kapazität des Kondensators zunimmt.

Daher weisen Kondensatoren mit gleichen geometrischen Abmessungen, aber unterschiedlichen Dielektrika, unterschiedliche Kapazitäten auf.

Nehmen wir zum Beispiel einen Kondensator mit einem Luftdielektrikum, dessen Dielektrizitätskonstante gleich eins ist, und legen Glimmer mit einer Dielektrizitätskonstante von 5 zwischen seine Platten, dann erhöht sich die Kapazität des Kondensators um das Fünffache.

Daher werden als Dielektrika Materialien wie Glimmer, mit Paraffin imprägniertes Papier usw. verwendet, deren Dielektrizitätskonstante viel höher ist als die von Luft, um eine große Kapazität zu erzielen.

Dementsprechend werden folgende Arten von Kondensatoren unterschieden: Luft, festes Dielektrikum und flüssiges Dielektrikum.

Laden und Entladen des Kondensators. Ruhestrom

Fügen wir einen Kondensator mit konstanter Kapazität in den Stromkreis ein. Durch Platzieren des Schalters auf Kontakt a wird der Kondensator in den Batteriekreis einbezogen. Die Nadel des Milliamperemeters weicht in dem Moment ab, in dem der Kondensator an den Stromkreis angeschlossen wird, und wird dann Null.

Gleichstromkondensator

Daher fließt ein elektrischer Strom in einer bestimmten Richtung durch den Stromkreis. Wird nun der Schalter auf Kontakt b gelegt (also die Platten geschlossen), dann schlägt die Milliamperemeternadel in die andere Richtung aus und kehrt auf Null zurück. Daher floss auch ein Strom durch den Stromkreis, jedoch in einer anderen Richtung. Lassen Sie uns dieses Phänomen analysieren.

Als der Kondensator an die Batterie angeschlossen wurde, wurde er geladen, das heißt, seine Platten erhielten eine positive und die andere negative Ladung. Die Abrechnung läuft bis Potenzieller unterschied zwischen den Kondensatorplatten ist nicht gleich der Batteriespannung. Ein im Stromkreis in Reihe geschaltetes Milliamperemeter zeigt den Ladestrom des Kondensators an, der sofort nach dem Laden des Kondensators stoppt.

Wenn der Kondensator von der Batterie getrennt wurde, blieb er geladen und die Potentialdifferenz zwischen seinen Platten entsprach der Batteriespannung.

Sobald der Kondensator jedoch geschlossen war, begann er sich zu entladen und der Entladestrom floss durch den Stromkreis, allerdings bereits in entgegengesetzter Richtung zum Ladestrom. Dies geschieht so lange, bis die Potentialdifferenz zwischen den Platten verschwindet, also bis sich der Kondensator entlädt.

Wenn der Kondensator daher in den Gleichstromkreis einbezogen ist, fließt der Strom im Stromkreis nur zum Zeitpunkt des Ladens des Kondensators, und in Zukunft wird es keinen Strom mehr im Stromkreis geben, da der Stromkreis durch das Dielektrikum unterbrochen wird des Kondensators.

Deshalb sagt man: „Ein Kondensator lässt keinen Gleichstrom durch.“

Die Strommenge (Q), die auf den Platten des Kondensators konzentriert werden kann, seine Kapazität (C) und der Wert der an den Kondensator angelegten Spannung (U) hängen durch die folgende Beziehung zusammen: Q = CU.

Diese Formel zeigt, dass je größer die Kapazität des Kondensators ist, desto mehr Elektrizität kann auf ihm konzentriert werden, ohne die Spannung an seinen Platten wesentlich zu erhöhen.

Durch Erhöhen der DC-Kapazitätsspannung erhöht sich auch die vom Kondensator gespeicherte Strommenge. Wenn jedoch eine große Spannung an die Platten des Kondensators angelegt wird, kann der Kondensator „kaputt“ werden, d. h. unter der Wirkung dieser Spannung kollabiert das Dielektrikum an einer Stelle und lässt den Strom durch. In diesem Fall funktioniert der Kondensator nicht mehr. Um Schäden an den Kondensatoren zu vermeiden, geben diese den Wert der zulässigen Betriebsspannung an.

Phänomen der dielektrischen Polarisation

Lassen Sie uns nun analysieren, was in einem Dielektrikum passiert, wenn ein Kondensator geladen und entladen wird und warum der Wert der Kapazität von der Dielektrizitätskonstante abhängt.

Die Antwort auf diese Frage gibt uns die elektronische Theorie der Struktur der Materie.

In einem Dielektrikum gibt es wie in jedem Isolator keine freien Elektronen. In den Atomen des Dielektrikums sind die Elektronen fest an den Kern gebunden, daher verursacht die an die Platten des Kondensators angelegte Spannung keine gerichtete Bewegung der Elektronen in seinem Dielektrikum, d. h. elektrischer Strom, wie im Fall von Drähten.

Unter der Wirkung der von den geladenen Platten erzeugten elektrischen Feldkräfte werden die um den Atomkern kreisenden Elektronen jedoch in Richtung der positiv geladenen Kondensatorplatte verschoben. Gleichzeitig wird das Atom in Richtung der Feldlinien gedehnt. Dieser Zustand dielektrischer Atome wird als polarisiert bezeichnet, und das Phänomen selbst wird als dielektrische Polarisation bezeichnet.

Beim Entladen des Kondensators wird der polarisierte Zustand des Dielektrikums unterbrochen, d. h. die durch die Polarisation verursachte Verschiebung der Elektronen relativ zum Kern verschwindet und die Atome kehren in ihren üblichen unpolarisierten Zustand zurück. Es wurde festgestellt, dass das Vorhandensein von Dielektrikum das Feld zwischen den Platten des Kondensators schwächt.

Unterschiedliche Dielektrika polarisieren unter Einwirkung desselben elektrischen Feldes unterschiedlich stark. Je leichter das Dielektrikum polarisiert ist, desto stärker schwächt es das Feld. Beispielsweise führt die Polarisation von Luft zu einer geringeren Feldschwächung als die Polarisation jedes anderen Dielektrikums.

Durch die Abschwächung des Feldes zwischen den Platten des Kondensators können Sie jedoch bei gleicher Spannung U eine größere Strommenge Q auf sie konzentrieren, was wiederum zu einer Erhöhung der Kapazität des Kondensators führt, da C = Q / U .

Wir kamen also zu dem Schluss: Je größer die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums, desto größer die Kapazität des Kondensators, der dieses Dielektrikum in seiner Zusammensetzung enthält.

Durch die Verschiebung der Elektronen in den Atomen des Dielektrikums, die, wie bereits erwähnt, unter Einwirkung der Kräfte des elektrischen Feldes erfolgt, entsteht im Dielektrikum im ersten Moment der Einwirkung des Feldes ein elektrischer Strom Strom . Wird als Ablenkstrom bezeichnet... Er wird so genannt, weil der Verschiebungsstrom im Gegensatz zum Leitungsstrom in Metalldrähten nur durch die Verschiebung von Elektronen erzeugt wird, die sich in ihren Atomen bewegen.

Das Vorhandensein dieses Vorstroms bewirkt, dass der an die Wechselstromquelle angeschlossene Kondensator zu ihrem Leiter wird.

Siehe auch zu diesem Thema: Elektrisches und magnetisches Feld: Was sind die Unterschiede?

Die wichtigsten Eigenschaften des elektrischen Feldes und die wichtigsten elektrischen Eigenschaften des Mediums (Grundbegriffe und Definitionen)

Elektrische Feldstärke

Eine Vektorgröße, die die Kraftwirkung eines elektrischen Feldes auf elektrisch geladene Körper und Teilchen charakterisiert, gleich der Grenze des Verhältnisses der Kraft, mit der das elektrische Feld auf einen stationären punktgeladenen Körper einwirkt, der am betrachteten Punkt des Feldes zu eingeführt wird die Ladung dieses Körpers, wenn diese Ladung gegen Null geht und deren Richtung vermutlich mit der Richtung der auf einen positiv geladenen Punktkörper wirkenden Kraft übereinstimmt.

Eine elektrische Feldlinie

Eine Linie an einem beliebigen Punkt, deren Tangente mit der Richtung des elektrischen Feldstärkevektors übereinstimmt.

Elektrische Polarisation

Der Zustand der Materie, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das elektrische Moment eines bestimmten Volumens dieser Substanz einen anderen Wert als Null hat.

Elektrische Leitfähigkeit

Die Eigenschaft eines Stoffes, unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes, das sich zeitlich nicht ändert, einen elektrischen Strom zu leiten, der sich zeitlich nicht ändert.

Dielektrikum

Ein Stoff, dessen wichtigste elektrische Eigenschaft die Fähigkeit ist, in einem elektrischen Feld zu polarisieren, und in dem die langfristige Existenz eines elektrostatischen Feldes möglich ist.

Eine leitfähige Substanz

Ein Stoff, dessen wichtigste elektrische Eigenschaft die elektrische Leitfähigkeit ist.

Direktor

Leitfähiger Körper.

Halbleitersubstanz (Halbleiter)

Ein Stoff, dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen einem leitfähigen Stoff und einem Dielektrikum liegt und dessen charakteristische Eigenschaften sind: eine ausgeprägte Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Temperatur; Änderung der elektrischen Leitfähigkeit bei Einwirkung eines elektrischen Feldes, Lichts und anderer äußerer Faktoren; erhebliche Abhängigkeit seiner elektrischen Leitfähigkeit von der Menge und Art der eingebrachten Verunreinigungen, die es ermöglicht, den elektrischen Strom zu verstärken und zu korrigieren sowie einige Energiearten in Elektrizität umzuwandeln.

Polarisation (Polarisationsintensität)

Eine Vektorgröße, die den Grad der elektrischen Polarisation des Dielektrikums charakterisiert und der Grenze des Verhältnisses des elektrischen Moments eines bestimmten Volumens des Dielektrikums zu diesem Volumen entspricht, wenn dieses gegen Null tendiert.

Elektrische Konstante

Eine skalare Größe, die das elektrische Feld in einem Hohlraum charakterisiert und dem Verhältnis der gesamten elektrischen Ladung, die in einer bestimmten geschlossenen Oberfläche enthalten ist, zum Fluss des elektrischen Feldstärkevektors durch diese Oberfläche im Hohlraum entspricht.

Absolute dielektrische Anfälligkeit

Eine skalare Größe, die die Eigenschaft eines Dielektrikums charakterisiert, in einer elektrischen Masse polarisiert zu werden, gleich dem Verhältnis der Größe der Polarisation zur Größe der elektrischen Feldstärke.

Dielektrische Empfindlichkeit

Das Verhältnis der absoluten dielektrischen Suszeptibilität am betrachteten Punkt des Dielektrikums zur elektrischen Konstante.

Elektrische Verschiebung

Eine Vektorgröße, die der geometrischen Summe der elektrischen Feldstärke am betrachteten Punkt multipliziert mit der elektrischen Konstante und der Polarisation am selben Punkt entspricht.

Absolute Dielektrizitätskonstante

Eine skalare Größe, die die elektrischen Eigenschaften eines Dielektrikums charakterisiert und dem Verhältnis der Größe der elektrischen Verschiebung zur Größe der elektrischen Feldspannung entspricht.

Die Dielektrizitätskonstante

Das Verhältnis der absoluten Dielektrizitätskonstante am betrachteten Punkt des Dielektrikums zur elektrischen Konstante.

Verschiebungsstromleitung

Eine Linie, deren Tangente an jedem Punkt mit der Richtung des elektrischen Verschiebungsvektors übereinstimmt.

Elektrostatische Induktion

Das Phänomen der Induktion elektrischer Ladungen auf einem leitfähigen Körper unter dem Einfluss eines externen elektrostatischen Feldes.

Stationäres elektrisches Feld

Das elektrische Feld elektrischer Ströme, das sich zeitlich nicht ändert, vorausgesetzt, dass die stromdurchflossenen Leiter stationär sind.

Potenzielles elektrisches Feld

Ein elektrisches Feld, bei dem der Rotor des elektrischen Feldstärkevektors überall gleich Null ist.

Elektrisches Wirbelfeld

Ein elektrisches Feld, bei dem der Rotor des Intensitätsvektors nicht immer gleich Null ist.

Der Unterschied der elektrischen Potentiale an zwei Punkten

Eine skalare Größe, die ein potentielles elektrisches Feld charakterisiert, gleich der Grenze des Verhältnisses der Arbeit der Kräfte dieses Feldes, wenn ein positiv geladener Punktkörper von einem bestimmten Punkt des Feldes auf einen anderen übertragen wird, zur Ladung dieses Körpers , wenn die Ladung des Körpers gegen Null tendiert (ansonsten: gleich dem Linienintegral der elektrischen Feldstärke von einem Punkt zum anderen).

Elektrisches Potenzial an einem bestimmten Punkt

Der Unterschied zwischen den elektrischen Potentialen eines bestimmten Punktes und eines anderen, festgelegten, aber willkürlich gewählten Punktes.

Elektrische Kapazität eines einzelnen Leiters

Eine skalare Größe, die die Fähigkeit eines Leiters charakterisiert, elektrische Ladung anzusammeln, gleich dem Verhältnis der Ladung des Leiters zu seinem Potenzial, unter der Annahme, dass alle anderen Leiter unendlich weit entfernt sind und das Potenzial des unendlich weit entfernten Punktes als Null angenommen wird.

Elektrische Kapazität zwischen zwei Einzelleitern

Ein Skalarwert, der dem Absolutwert des Verhältnisses der elektrischen Ladung auf einem Leiter zur Differenz der elektrischen Potentiale zweier Leiter entspricht, vorausgesetzt, dass diese Leiter die gleiche Größe, aber ein entgegengesetztes Vorzeichen haben und alle anderen Leiter unendlich weit entfernt sind.

Kondensator

Ein System aus zwei Leitern (Platten), die durch ein Dielektrikum getrennt sind und die Kapazität zwischen den beiden Leitern nutzen sollen.

Kapazität des Kondensators

Der absolute Wert des Verhältnisses der elektrischen Ladung auf einer der Kondensatorplatten zur Potentialdifferenz zwischen ihnen, vorausgesetzt, dass die Platten Ladungen gleicher Größe und entgegengesetzten Vorzeichens aufweisen.

Kapazität zwischen zwei Leitern in einem Leitungssystem (Teilkapazität)

Der absolute Wert des Verhältnisses der elektrischen Ladung eines der im Leitersystem enthaltenen Leiter zur Potentialdifferenz zwischen ihm und einem anderen Leiter, wenn alle Leiter außer diesem das gleiche Potential haben; Wenn die Erde im betrachteten Leitungssystem enthalten ist, wird ihr Potenzial als Null angenommen.

Elektrisches Feld Dritter

Das Feld, das durch thermische Prozesse, chemische Reaktionen, Kontaktphänomene, mechanische Kräfte und andere nicht-elektromagnetische (bei makroskopischen Untersuchungen) Prozesse verursacht wird; gekennzeichnet durch eine starke Wirkung auf geladene Teilchen und Körper, die sich in dem Bereich befinden, in dem dieses Feld existiert.

Induziertes elektrisches Feld

Ein elektrisches Feld, das durch das zeitlich veränderliche Magnetfeld induziert wird.

Elektromotorische Kraft E. d. S.

Eine skalare Größe, die die Fähigkeit eines externen und induzierten elektrischen Feldes charakterisiert, einen elektrischen Strom zu induzieren, der dem linearen Integral der Stärke des externen und induzierten elektrischen Feldes zwischen zwei Punkten entlang des betrachteten Pfades oder entlang des betrachteten geschlossenen Stromkreises entspricht.

Stromspannung

Eine skalare Größe, die dem linearen Integral der Stärke des resultierenden elektrischen Feldes (elektrostatisch, stationär, extern, induktiv) zwischen zwei Punkten entlang des betrachteten Pfades entspricht.