Campo elettrico, induzione elettrostatica, capacità e condensatori

Concetto di campo elettrico

È noto che le forze del campo elettrico agiscono nello spazio intorno alle cariche elettriche. Numerosi esperimenti su corpi carichi lo confermano pienamente. Lo spazio attorno a qualsiasi corpo carico è un campo elettrico in cui agiscono forze elettriche.

La direzione delle forze del campo è chiamata linee del campo elettrico. Pertanto, è generalmente accettato che un campo elettrico sia un insieme di linee di forza.

Le linee di campo hanno determinate proprietà:

• le linee di forza lasciano sempre un corpo caricato positivamente ed entrano in un corpo caricato negativamente;

• escono in tutte le direzioni perpendicolarmente alla superficie del corpo carico e vi entrano perpendicolarmente;

• le linee di forza di due corpi di uguale carica sembrano respingersi, mentre i corpi di carica opposta si attraggono.

Le linee di forza del campo elettrico sono sempre aperte mentre si rompono sulla superficie dei corpi carichi.I corpi carichi elettricamente interagiscono: carichi opposti si attraggono e allo stesso modo si respingono.

I corpi elettricamente carichi (particelle) con cariche q1 e q2 interagiscono tra loro con una forza F, che è una grandezza vettoriale e si misura in newton (N). Corpi con cariche opposte si attraggono e con cariche simili si respingono.

La forza di attrazione o repulsione dipende dall'entità delle cariche sui corpi e dalla distanza tra loro.

I corpi carichi sono detti punti se le loro dimensioni lineari sono piccole rispetto alla distanza r tra i corpi. L'entità della loro forza di interazione F dipende dall'entità delle cariche q1 e q2, dalla distanza r tra loro e dall'ambiente in cui si trovano le cariche elettriche.

Se non c'è aria nello spazio tra i corpi, ma qualche altro dielettrico, cioè un non conduttore di elettricità, allora la forza di interazione tra i corpi diminuirà.

Il valore che caratterizza le proprietà di un dielettrico e che mostra quante volte la forza di interazione tra le cariche aumenterà se un dato dielettrico viene sostituito dall'aria è chiamato permettività relativa di un dato dielettrico.

La costante dielettrica è uguale a: per aria e gas — 1; per ebanite — 2 — 4; per mica 5 — 8; per olio 2 — 5; per carta 2 - 2,5; per paraffina — 2 — 2.6.

Il campo elettrostatico di due corpi carichi: a - tala sono caricati con lo stesso nome, b - i corpi sono caricati in modo diverso

Induzione elettrostatica

Se a un corpo conduttore A di forma sferica, isolato dagli oggetti circostanti, viene data una carica elettrica negativa, cioè per creare un eccesso di elettroni in esso, allora questa carica sarà distribuita uniformemente sulla superficie del corpo.Questo perché gli elettroni, respingendosi a vicenda, tendono a venire alla superficie del corpo.

Poniamo un corpo B privo di carica, anch'esso isolato dagli oggetti circostanti, nel campo del corpo A. Quindi appariranno cariche elettriche sulla superficie del corpo B, e sul lato rivolto verso il corpo A, una carica opposta alla carica del corpo A ( positivo ), e dall'altra parte - una carica con lo stesso nome della carica del corpo A (negativa). Le cariche elettriche così distribuite rimangono sulla superficie del corpo B mentre si trova nel campo del corpo A. Se il corpo B viene rimosso dal campo o il corpo A viene rimosso, allora la carica elettrica sulla superficie del corpo B viene neutralizzata. Questo metodo di elettrificazione a distanza è chiamato induzione elettrostatica o elettrificazione per influenza.

Il fenomeno dell'induzione elettrostatica

È ovvio che un tale stato elettrizzato del corpo è forzato e mantenuto esclusivamente dall'azione delle forze del campo elettrico creato dal corpo A.

Se facciamo lo stesso quando il corpo A è caricato positivamente, allora gli elettroni liberi dalla mano di una persona si precipiteranno al corpo B, neutralizzeranno la sua carica positiva e il corpo B sarà caricato negativamente.

Maggiore è il grado di elettrificazione del corpo A, cioè maggiore è il suo potenziale, maggiore è il potenziale che può essere elettrizzato mediante induzione elettrostatica del corpo B.

Così siamo giunti alla conclusione che il fenomeno dell'induzione elettrostatica rende possibile l'accumulo in determinate condizioni elettricità sulla superficie di corpi conduttivi.

Qualsiasi corpo può essere imputato a un certo limite, cioè a un certo potenziale; un aumento di potenziale oltre il limite provoca l'espulsione del corpo nell'atmosfera circostante. Corpi diversi hanno bisogno di diverse quantità di elettricità per portarli allo stesso potenziale. In altre parole, corpi diversi contengono quantità diverse di elettricità, cioè hanno diverse capacità elettriche (o semplicemente capacità).

La capacità elettrica è la capacità di un corpo di contenere una certa quantità di elettricità aumentando il suo potenziale fino a un certo valore. Maggiore è la superficie del corpo, maggiore è la carica elettrica che il corpo può contenere.

Se il corpo ha la forma di una palla, la sua capacità è direttamente proporzionale al raggio della palla. La capacità è misurata in farad.

Un farada è la capacità di un tale corpo che, dopo aver ricevuto una carica di elettricità in un ciondolo, aumenta il suo potenziale di un volt... 1 farad = 1.000.000 microfarad.

La capacità elettrica, cioè la proprietà dei corpi conduttori di accumulare carica elettrica in se stessi, è ampiamente utilizzata nell'ingegneria elettrica. Il dispositivo si basa su questa proprietà condensatori elettrici.

Capacità del condensatore

Un condensatore è costituito da due piastre metalliche (piastre), isolate l'una dall'altra con uno strato d'aria o un altro dielettrico (mica, carta, ecc.).

Se a una delle piastre viene data una carica positiva e l'altra è negativa, cioè le carica in modo opposto, allora le cariche delle piastre, che si attraggono reciprocamente, saranno mantenute sulle piastre. Ciò consente di concentrare molta più elettricità sulle piastre che se fossero caricate a una distanza l'una dall'altra.

Pertanto, un condensatore può fungere da dispositivo che immagazzina una quantità significativa di elettricità nelle sue piastre. In altre parole, un condensatore è un accumulo di energia elettrica.

La capacità del condensatore è pari a:

DO = eS / 4pl

dove C è la capacità; e è la costante dielettrica del dielettrico; S — area di una piastra in cm2, NS — numero costante (pi) pari a 3,14; l — distanza tra i piatti in cm.

Da questa formula si può vedere che all'aumentare dell'area delle piastre, la capacità del condensatore aumenta e all'aumentare della distanza tra loro diminuisce.

Spieghiamo questa dipendenza. Maggiore è l'area delle piastre, maggiore è la quantità di elettricità che possono assorbire e quindi maggiore sarà la capacità del condensatore.

Al diminuire della distanza tra le armature, aumenta l'influenza reciproca (induzione) tra le loro cariche, che consente di concentrare più elettricità sulle armature e, quindi, di aumentare la capacità del condensatore.

Pertanto, se vogliamo ottenere un condensatore di grandi dimensioni, dobbiamo prendere piastre con un'ampia area e isolarle con un sottile strato dielettrico.

La formula mostra anche che all'aumentare della costante dielettrica del dielettrico, aumenta la capacità del condensatore.

Pertanto, condensatori con le stesse dimensioni geometriche ma contenenti dielettrici diversi hanno capacità diverse.

Se, ad esempio, prendiamo un condensatore con un dielettrico d'aria la cui costante dielettrica è uguale all'unità e mettiamo tra le sue piastre una mica con una costante dielettrica di 5, la capacità del condensatore aumenterà di 5 volte.

Pertanto, materiali come mica, carta impregnata di paraffina, ecc., la cui costante dielettrica è molto superiore a quella dell'aria, vengono utilizzati come dielettrici per ottenere una grande capacità.

Di conseguenza, si distinguono i seguenti tipi di condensatori: aria, dielettrico solido e dielettrico liquido.

Carica e scarica del condensatore. Corrente di polarizzazione

Includiamo un condensatore di capacità costante nel circuito. Posizionando l'interruttore sul contatto a, il condensatore verrà inserito nel circuito della batteria. L'ago del milliamperometro nel momento in cui il condensatore è collegato al circuito devierà e quindi diventerà zero.

Condensatore CC

Pertanto, una corrente elettrica è passata attraverso il circuito in una certa direzione. Se l'interruttore è ora posizionato sul contatto b (cioè, chiudi le piastre), allora l'ago del milliamperometro devierà nell'altra direzione e tornerà a zero. Pertanto, anche una corrente è passata attraverso il circuito, ma in una direzione diversa. Analizziamo questo fenomeno.

Quando il condensatore è stato collegato alla batteria, è stato caricato, cioè le sue piastre hanno ricevuto una carica positiva e l'altra negativa. La fatturazione continua fino al differenza di potenziale tra le piastre del condensatore non è uguale alla tensione della batteria. Un milliamperometro collegato in serie nel circuito indica la corrente di carica del condensatore, che si interrompe immediatamente dopo che il condensatore è stato caricato.

Quando il condensatore è stato scollegato dalla batteria, è rimasto carico e la differenza di potenziale tra le sue armature era uguale alla tensione della batteria.

Tuttavia, non appena il condensatore è stato chiuso, ha iniziato a scaricarsi e la corrente di scarica è passata attraverso il circuito, ma già nella direzione opposta alla corrente di carica. Questo continua fino a quando la differenza di potenziale tra le armature scompare, cioè fino a quando il condensatore non si scarica.

Pertanto, se il condensatore è incluso nel circuito CC, la corrente scorrerà nel circuito solo al momento della carica del condensatore, e in futuro non ci sarà corrente nel circuito, perché il circuito verrà interrotto dal dielettrico del condensatore.

Ecco perché dicono che «Un condensatore non passa corrente continua».

La quantità di elettricità (Q) che può essere concentrata sulle armature del condensatore, la sua capacità (C) e il valore della tensione fornita al condensatore (U) sono legati dalla seguente relazione: Q = CU.

Questa formula mostra che maggiore è la capacità del condensatore, più elettricità può essere concentrata su di esso senza aumentare significativamente la tensione sulle sue armature.

L'aumento della tensione della capacità CC aumenta anche la quantità di elettricità immagazzinata dal condensatore. Tuttavia, se viene applicata una grande tensione alle piastre del condensatore, allora il condensatore può essere "rotto", cioè sotto l'azione di questa tensione, il dielettrico collasserà in qualche punto e lascerà passare la corrente attraverso di esso. In questo caso, il condensatore cesserà di funzionare. Per evitare danni ai condensatori, indicano il valore della tensione operativa consentita.

Fenomeno di polarizzazione dielettrica

Analizziamo ora cosa succede in un dielettrico quando un condensatore viene caricato e scaricato e perché il valore della capacità dipende dalla costante dielettrica?

La risposta a questa domanda ci dà la teoria elettronica della struttura della materia.

In un dielettrico, come in qualsiasi isolante, non ci sono elettroni liberi. Negli atomi del dielettrico, gli elettroni sono strettamente legati al nucleo, quindi la tensione applicata alle armature del condensatore non provoca un movimento direzionale degli elettroni nel suo dielettrico, cioè corrente elettrica, come nel caso dei fili.

Tuttavia, sotto l'azione delle forze del campo elettrico create dalle piastre cariche, gli elettroni che ruotano attorno al nucleo atomico vengono spostati verso la piastra del condensatore caricata positivamente. Allo stesso tempo, l'atomo viene allungato nella direzione delle linee di campo: questo stato di atomi dielettrici è chiamato polarizzato e il fenomeno stesso è chiamato polarizzazione dielettrica.

Quando il condensatore si scarica, lo stato polarizzato del dielettrico si rompe, cioè lo spostamento degli elettroni rispetto al nucleo causato dalla polarizzazione scompare e gli atomi ritornano al loro normale stato non polarizzato. Si è constatato che la presenza di dielettrico indebolisce il campo tra le armature del condensatore.

Diversi dielettrici sotto l'azione dello stesso campo elettrico si polarizzano in gradi diversi. Quanto più facilmente si polarizza il dielettrico, tanto più indebolisce il campo. La polarizzazione dell'aria, ad esempio, si traduce in un minore indebolimento del campo rispetto alla polarizzazione di qualsiasi altro dielettrico.

Ma l'indebolimento del campo tra le armature del condensatore consente di concentrare su di esse una maggiore quantità di elettricità Q alla stessa tensione U, che a sua volta porta ad un aumento della capacità del condensatore, poiché C = Q / U .

Quindi siamo giunti alla conclusione: maggiore è la costante dielettrica del dielettrico, maggiore è la capacità del condensatore che contiene questo dielettrico nella sua composizione.

Lo spostamento degli elettroni negli atomi del dielettrico, che avviene, come abbiamo già detto, sotto l'azione delle forze del campo elettrico, si forma nel dielettrico, al primo momento dell'azione del campo, un corrente Chiamata corrente di deflessione... È così chiamata perché a differenza della corrente di conduzione nei fili metallici, la corrente di spostamento è generata solo dallo spostamento degli elettroni che si muovono nei loro atomi.

La presenza di questa corrente di polarizzazione fa sì che il condensatore collegato alla sorgente CA diventi il ​​suo conduttore.

Vedi anche su questo argomento: Campo elettrico e magnetico: quali sono le differenze?

Le principali caratteristiche del campo elettrico e le principali caratteristiche elettriche del mezzo (termini e definizioni di base)

Intensità del campo elettrico

Una grandezza vettoriale che caratterizza l'azione della forza di un campo elettrico su corpi e particelle elettricamente carichi, pari al limite del rapporto della forza con cui il campo elettrico agisce su un corpo stazionario a carica puntiforme introdotto nel punto considerato del campo a la carica di questo corpo quando questa carica tende a zero e la cui direzione si presume coincida con la direzione della forza che agisce su un corpo puntiforme caricato positivamente.

Una linea di campo elettrico

Una linea in qualsiasi punto la cui tangente coincide con la direzione del vettore dell'intensità del campo elettrico.

Polarizzazione elettrica

Lo stato della materia caratterizzato dal fatto che il momento elettrico di un dato volume di quella sostanza ha un valore diverso da zero.

Conduttività elettrica

La proprietà di una sostanza di condurre, sotto l'influenza di un campo elettrico che non cambia nel tempo, una corrente elettrica che non cambia nel tempo.

Dielettrico

Una sostanza la cui principale proprietà elettrica è la capacità di polarizzarsi in un campo elettrico e in cui è possibile l'esistenza a lungo termine di un campo elettrostatico.

Una sostanza conduttiva

Una sostanza la cui principale proprietà elettrica è la conduttività elettrica.

Direttore

Corpo conduttivo.

Sostanza semiconduttrice (semiconduttore)

Una sostanza la cui conduttività elettrica è intermedia tra una sostanza conduttiva e un dielettrico e le cui proprietà distintive sono: una pronunciata dipendenza della conduttività elettrica dalla temperatura; variazione della conduttività elettrica se esposta a un campo elettrico, luce e altri fattori esterni; significativa dipendenza della sua conduttività elettrica dalla quantità e dalla natura delle impurità introdotte, che consente di amplificare e correggere la corrente elettrica, nonché di convertire alcuni tipi di energia in elettricità.

Polarizzazione (intensità di polarizzazione)

Una grandezza vettoriale che caratterizza il grado di polarizzazione elettrica del dielettrico, pari al limite del rapporto tra il momento elettrico di un certo volume del dielettrico e questo volume quando quest'ultimo tende a zero.

Costante elettrica

Una grandezza scalare che caratterizza il campo elettrico in una cavità, pari al rapporto tra la carica elettrica totale contenuta in una certa superficie chiusa e il flusso del vettore dell'intensità del campo elettrico attraverso tale superficie nel vuoto.

Suscettibilità dielettrica assoluta

Una quantità scalare che caratterizza la proprietà di un dielettrico di essere polarizzato in una massa elettrica, pari al rapporto tra l'intensità della polarizzazione e l'intensità dell'intensità del campo elettrico.

Sensibilità dielettrica

Il rapporto tra la suscettività dielettrica assoluta nel punto considerato del dielettrico e la costante elettrica.

Spostamento elettrico

Una grandezza vettoriale pari alla somma geometrica dell'intensità del campo elettrico nel punto considerato moltiplicata per la costante elettrica e la polarizzazione nello stesso punto.

Costante dielettrica assoluta

Una quantità scalare che caratterizza le proprietà elettriche di un dielettrico e pari al rapporto tra l'entità dello spostamento elettrico e l'entità della tensione del campo elettrico.

La costante dielettrica

Il rapporto tra la costante dielettrica assoluta nel punto considerato del dielettrico e la costante elettrica.

Linea elettrica di spostamento

Una retta in ogni punto la cui tangente coincide con la direzione del vettore spostamento elettrico.

Induzione elettrostatica

Il fenomeno dell'induzione di cariche elettriche su un corpo conduttore sotto l'influenza di un campo elettrostatico esterno.

Campo elettrico stazionario

Il campo elettrico delle correnti elettriche che non cambiano nel tempo, a condizione che i conduttori che trasportano corrente siano stazionari.

Campo elettrico potenziale

Un campo elettrico in cui il rotore del vettore dell'intensità del campo elettrico è ovunque uguale a zero.

Campo elettrico parassita

Un campo elettrico in cui il rotore del vettore di intensità non è sempre uguale a zero.

La differenza di potenziale elettrico in due punti

Una quantità scalare che caratterizza un potenziale campo elettrico, pari al limite del rapporto del lavoro delle forze di questo campo, quando un corpo puntiforme caricato positivamente viene trasferito da un dato punto del campo a un altro, alla carica di questo corpo , quando la carica del corpo tende a zero (altrimenti: uguale all'integrale di linea dell'intensità del campo elettrico da un dato punto all'altro).

Potenziale elettrico in un dato punto

La differenza tra i potenziali elettrici di un dato punto e di un altro punto specificato ma scelto arbitrariamente.

Capacità elettrica di un singolo conduttore

Una quantità scalare che caratterizza la capacità di un conduttore di accumulare carica elettrica, pari al rapporto tra la carica del conduttore e il suo potenziale, supponendo che tutti gli altri conduttori siano infinitamente distanti e che il potenziale del punto infinitamente distante sia assunto pari a zero.

Capacità elettrica tra due singoli conduttori

Un valore scalare pari al valore assoluto del rapporto tra la carica elettrica su un conduttore e la differenza di potenziale elettrico di due conduttori, a condizione che questi conduttori abbiano la stessa grandezza ma segno opposto e che tutti gli altri conduttori siano infinitamente distanti.

Condensatore

Un sistema di due conduttori (piastre) separati da un dielettrico progettato per utilizzare la capacità tra i due conduttori.

Capacità del condensatore

Il valore assoluto del rapporto tra la carica elettrica su una delle piastre del condensatore e la differenza di potenziale tra di esse, a condizione che le piastre abbiano cariche della stessa grandezza e di segno opposto.

Capacità tra due conduttori in un sistema di fili (capacità parziale)

Il valore assoluto del rapporto tra la carica elettrica di uno dei conduttori inclusi nel sistema di conduttori e la differenza di potenziale tra esso e un altro conduttore, se tutti i conduttori, ad eccezione di quest'ultimo, hanno lo stesso potenziale; se il terreno è incluso nel sistema di fili considerato, il suo potenziale è considerato zero.

Campo elettrico di terzi

Il campo causato da processi termici, reazioni chimiche, fenomeni di contatto, forze meccaniche e altri processi non elettromagnetici (all'esame macroscopico); caratterizzato da un forte effetto sulle particelle cariche e sui corpi situati nell'area in cui esiste questo campo.

Campo elettrico indotto

Un campo elettrico indotto dal campo magnetico variabile nel tempo.

Forza elettromotrice E. d. S.

Una grandezza scalare che caratterizza la capacità di un campo elettrico esterno e indotto di indurre una corrente elettrica pari all'integrale lineare dell'intensità dei campi elettrici esterni e indotti tra due punti lungo il percorso considerato o lungo il circuito chiuso considerato.

Voltaggio

Una grandezza scalare pari all'integrale lineare dell'intensità del campo elettrico risultante (elettrostatico, stazionario, esterno, induttivo) tra due punti lungo il percorso considerato.