Электрическое поле, электростатическая индукция, емкость и конденсаторы

Понятие об электрическом поле

Известно, что в пространстве, окружающем электрические заряды, действуют силы электрического поля. Многочисленные опыты над заряженными телами полностью подтверждают это. Пространство, окружающее любое заряженное тело, является электрическим полем, в котором действуют электрические силы.

Направление сил поля называют силовыми линиями электрического поля. Поэтому условно считают, что электрическое поле есть совокупность силовых линий.

Силовые линии поля обладают определенными свойствами:

• -силовые линии выходят всегда из положительно заряженного тела, а входят в тело, заряженное отрицательно;
• -они выходят во все стороны перпендикулярно поверхности заряженного тела и перпендикулярно входят в него;
• -силовые линии двух одноименно заряженных тел как бы отталкиваются одна от другой, а разноименно заряженных — притягиваются.

Силовые линии электрического поля всегда разомкнуты, так как они обрываются на поверхности заряженных, тел. Электрически заряженные тела взаимодействуют друг с другом: разноименно заряженные притягиваются, а одноименно заряженные отталкиваются.

Сила притяжения или отталкивания зависит от величины зарядов тел и от расстояния между ними.

Если в пространстве между телами будет не воздух, а какой-нибудь другой диэлектрик, т. е. непроводник электричества, то сила взаимодействия между телами уменьшится.

Величина, характеризующая свойства диэлектрика и показывающая, во сколько раз сила взаимодействия между зарядами увеличится, если данный диэлектрик заменить воздухом, называется относительной диэлектрической проницаемостью данного диэлектрика.

Диэлектрическая проницаемость равна: для воздуха и газов — 1; для эбонита — 2 — 4; для слюды 5 — 8; для масла 2 — 5; для бумаги 2 — 2,5; для парафина — 2 — 2,6.

Рис. 1 Электростатическое поле двух заряженных тел: а — тала заряжены одноименно, б — тела заряжены разноименно.

Электростатическая индукция

Если проводящему телу, А шарообразной формы, изолированному от окружающих предметов, сообщить отрицательный электрический заряд, т. е. создать в нем избыток электронов, то этот заряд равномерно распределится по поверхности тела. Так происходит потому, что электроны, отталкиваясь один от другого, стремятся выйти на поверхность тела.

Поместим незаряженное тело Б, также изолированное от окружающих предметов, в поле тела А. Тогда на поверхности тела Б появятся электрические заряды, причем на стороне, обращенной к телу А, образуется заряд, противоположный заряду тела, А (положительный), а на другой стороне — заряд, одноименный с зарядом тела, А (отрицательный). Электрические заряды, распределяясь таким образом, остаются на поверхности тела Б до тех пор, пока оно находится в поле тела А. Если тело Б вынести из поля или удалить тело А, то электрический заряд на поверхности тела Б нейтрализуется. Такой способ электризации на расстоянии называется электростатической индукцией или электризацией посредством влияния.

Рис. 2 Явление электростатической индукции.

Очевидно, что такое наэлектризованное состояние тела является вынужденным и поддерживается исключительно действием сил электрического поля, созданного телом А.

Если проделать то же самое, когда тело, А будет заряжено положительно, то свободные электроны с руки человека устремятся к телу Б, нейтрализуют его положительный заряд, и тело Б окажется заряженным отрицательно.

Чем выше будет степень электризации тела А, т. е. чем выше его потенциал, тем до большего потенциала можно наэлектризовать посредством электростатической индукции тело Б.

Таким образом, мы пришли к выводу, что явление электростатической индукции дает возможность при определенных условиях накапливать электричество на поверхности проводящих тел.

Каждое тело можно зарядить до известного предела, т. е. до определенного потенциала; повышение потенциала сверх предельного влечет за собой разряд тела в окружающую атмосферу. Для разных тел необходимо различное количество электричества, чтобы довести их до одного и того же потенциала. Иначе говоря, различные тела вмещают различное количество электричества, т. е. обладают разной электрической емкостью (или просто емкостью).

Электрической емкостью называется способность тела вмещать в себе определенное количество электричества, повышая при этом свой потенциал до определенной величины. Чем больше поверхность тела, тем больший электрический заряд может вместить в себя это тело.

Если тело имеет форму шара, то емкость его находится в прямой зависимости от радиуса шара. Емкость измеряют фарадами.

Фарада — емкость такого тела, которое, получив заряд электричества в один кулон, повышает свой потенциал на один вольт. 1 фарада = 1 000 000 микрофарад.

Электрическая емкость, т. е. свойство проводящих тел накапливать в себе электрический заряд, широко используется в электротехнике. На этом свойстве основано устройство электрических конденсаторов.

Емкость конденсатора

Конденсатор состоит из двух металлических пластин (обкладок), изолированных одна от другой прослойкой воздуха или каким-либо другим диэлектриком (слюдой, бумагой и т. д.).

Если одной из пластин сообщить положительный заряд, а другой — отрицательный, т. е. противоположно зарядить их, то заряды пластин, взаимно притягиваясь, будут удерживаться на пластинах. Это позволяет сосредоточить на пластинах гораздо большее количество электричества, чем если бы заряжать их в удалении одна от другой.

Следовательно, конденсатор может служить устройством, запасающим на своих обкладках значительное количество электричества. Иначе говоря, конденсатор— это накопитель электрической энергии.

Емкость конденсатора равна:

С = еS / 4рl

где С — емкость; е — диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S — площадь одной пластины в см2, р — постоянное число, равное 3,14; l — расстояние между пластинами в см.

Из этой формулы видно, что с увеличением площади пластин емкость конденсатора увеличивается, а с увеличением расстояния между ними уменьшается.

Поясним эту зависимость. Чем больше площадь пластин, тем большее количество электричества они способны вместить, а следовательно, и емкость конденсатора будет большей.

При уменьшении расстояния между пластинами возрастает взаимное влияние (индукция) между их зарядами, что позволяет сосредоточить на пластинах большее количество электричества, а следовательно, увеличить емкость конденсатора.

Таким образом, если мы хотим получить конденсатор большой емкости, мы должны брать пластины большой площади и изолировать их между собой тонким слоем диэлектрика.

Формула показывает также, что с увеличением диэлектрической проницаемости диэлектрика емкость конденсатора увеличивается.

Следовательно, конденсаторы, равные по своим геометрическим размерам, но содержащие в себе различные диэлектрики, имеют различную емкость.

Если, например, взять конденсатор с воздушным диэлектриком, диэлектрическая проницаемость которого равна единице, и поместить между его пластинами слюду с диэлектрической проницаемостью 5, то емкость конденсатора возрастет в 5 раз.

Вот почему для получения больших емкостей в качестве диэлектриков используют такие материалы, как слюда, бумага, пропитанная парафином, и др., диэлектрическая проницаемость которых значительно больше, чем у воздуха.

В соответствии с этим различают следующие типы конденсаторов: воздушные, с твердым диэлектриком и с жидким диэлектриком.

Заряд и разряд конденсатора. Ток смещения

Включим конденсатор постоянной емкости в цепь. При установке переключателя на контакт а конденсатор будет включен в цепь батареи. Стрелка миллиамперметра в момент включения конденсатора в цепь отклонится и затем станет на нуль.

Конденсатор в цепи постоянного тока.

Следовательно, по цепи прошел электрический ток в определенном направлении. Если теперь переключатель поставить на контакт б (т. е. замкнуть обкладки), то стрелка миллиамперметра отклонится в другую сторону и опять станет на нуль. Следовательно, по цепи также прошел ток, но уже другого направления. Разберем это явление.

Когда конденсатор был подключен к батарее, он заряжался, т. е. его обкладки получали одна положительный, а другая отрицательный заряды. Заряд продолжался до тех пор, пока разность потенциалов между обкладками конденсатора не сравнялась с напряжением батареи. Миллиамперметр, включенный последовательно в цепь, показал ток заряда конденсатора, который прекратился, как только зарядился конденсатор.

Когда же конденсатор отключили от батареи, он остался заряженным, и разность потенциалов между его обкладками была равна напряжению батареи.

Однако, как только замкнули конденсатор, он начал разряжаться, и по цепи пошел ток разряда, но уже в направлении, обратном току заряда. Это продолжалось до тех пор, пока не исчезла разность потенциалов между обкладками, т. е. пока конденсатор не разрядился.

Следовательно, если конденсатор включить в цепь постоянного тока, то в цепи пойдет ток только в момент заряда конденсатора, а в дальнейшем тока в цепи не будет, так как цепь будет разорвана диэлектриком конденсатора.

Поэтому говорят, что «конденсатор не пропускает постоянного тока» .

Количество электричества (Q), которое можно сосредоточить на пластинах конденсатора, его емкость © и величина подводимого к конденсатору напряжения.

(U) связаны следующей зависимостью:

Q = CU

Эта формула показывает, что чем больше емкость конденсатора, тем большее количество электричества можно сосредоточить на нем, не повышая сильно напряжения на его обкладках.

Повышение напряжения при неизменной емкости также приводит к увеличению запасаемого конденсатором количества электричества. Однако если к обкладкам конденсатора подвести большое напряжение, то конденсатор может быть «пробит», т. е. под действием этого напряжения диэлектрик в каком-то месте разрушится и пропустит через себя ток. Конденсатор при этом прекратит свое действие. Чтобы избежать порчи конденсаторов, на них указывают величину допустимого рабочего напряжения.

Явление поляризации диэлектрика

Разберем теперь, что происходит в диэлектрике при заряде и разряде конденсатора и почему от диэлектрической проницаемости диэлектрика зависит величина емкости?

Ответ на этот вопрос дает нам электронная теория строения вещества.

В диэлектрике, как во всяком изоляторе, нет свободных электронов. В атомах диэлектрика электроны прочно связаны с ядром, поэтому напряжение, приложенное к пластинам конденсатора, не вызывает в его диэлектрике направленного движения электронов, т. е. электрического тока, как это бывает в проводниках.

Однако под действием сил электрического поля, созданного заряженными пластинами, электроны, вращающиеся вокруг ядра атома, смещаются в сторону положительно заряженной пластины конденсатора. Атом при этом как бы вытягивается по направлению силовых линий поля. Такое состояние атомов диэлектрика называют поляризованным, а само явление — поляризацией диэлектрика.

При разряде конденсатора поляризованное состояние диэлектрика нарушается, т. е. пропадает вызванное поляризацией смещение электронов относительно ядра, и атомы приходят в свое обычное неполяризованное состояние. Установлено, что присутствие диэлектрика ослабляет поле между пластинами конденсатора.

Различные диэлектрики под действием одного и того же электрического поля поляризуются в различной степени. Чем легче поляризуется диэлектрик, тем он больше ослабляет поле. Поляризация воздуха, например, приводит к меньшему ослаблению поля, чем поляризация любого другого диэлектрика.

Но ослабление поля между пластинами конденсатора позволяет сосредоточить на них большее количество электричества Q при одном и том же напряжении U, что в свою очередь, приводит к увеличению емкости конденсатора, так как С= Q / U.

Итак, мы пришли к выводу — чем больше диэлектрическая проницаемость

диэлектрика, тем большей емкостью обладает конденсатор, содержащий в своем составе этот диэлектрик.

Смещение электронов в атомах диэлектрика, происходящее, как мы уже говорили, под действием сил электрического поля, образует в диэлектрике, в первый момент действия поля, электрический ток, называемый током смещения. Так он назван потому, что в отличие от тока проводимости в металлических проводниках, ток смещения образуется лишь смещением электронов, передвигающихся в пределах своих атомов.

Наличие этого тока смещения приводит к тому, что конденсатор, подключенный к источнику переменного тока, становится его проводником.