שדה חשמלי, אינדוקציה אלקטרוסטטית, קיבול וקבלים

מושג שדה חשמלי

ידוע שכוחות שדה חשמליים פועלים במרחב סביב מטענים חשמליים. ניסויים רבים על גופים טעונים מאשרים זאת במלואם. החלל סביב כל גוף טעון הוא שדה חשמלי שבו פועלים כוחות חשמליים.

כיוון כוחות השדה נקראים קווי שדה חשמליים. לכן, מקובל בדרך כלל ששדה חשמלי הוא אוסף של קווי כוח.

לשורות השדה יש ​​מאפיינים מסוימים:

• קווי כוח יוצאים תמיד מגוף טעון חיובי ונכנסים לגוף טעון שלילי;

• הם יוצאים לכל הכיוונים בניצב לפני השטח של הגוף הטעון ונכנסים אליו בניצב;

• נראה כי קווי הכוח של שני גופים טעונים באותה מידה דוחים זה את זה, וגופים טעונים הפוך מושכים.

קווי הכוח החשמליים פתוחים תמיד כשהם נשברים על פני השטח של גופים טעונים.גופים טעונים חשמלית מקיימים אינטראקציה: טעונים הפוכים מושכים ודוחים באופן דומה.

גופים טעונים חשמלית (חלקיקים) בעלי מטענים q1 ו-q2 מתקשרים זה עם זה בכוח F, שהוא כמות וקטורית ונמדד בניוטון (N). גופים בעלי מטענים מנוגדים מושכים זה את זה ועם מטענים דומים דוחים זה את זה.

כוח המשיכה או הדחייה תלוי בגודל המטענים על הגופים ובמרחק ביניהם.

גופים טעונים נקראים נקודה אם הממדים הליניאריים שלהם קטנים בהשוואה למרחק r בין הגופים. גודל כוח האינטראקציה שלהם F תלוי בגודל המטענים q1 ו-q2, במרחק r ביניהם לבין הסביבה בה נמצאים המטענים החשמליים.

אם אין אוויר בחלל שבין הגופים, אלא דיאלקטרי אחר, כלומר לא מוליך חשמל, אזי יקטן כוח האינטראקציה בין הגופים.

הערך המאפיין את תכונותיו של דיאלקטרי ומראה כמה פעמים יגדל כוח האינטראקציה בין מטענים אם דיאלקטרי נתון יוחלף באוויר נקרא הפריטטיביות היחסית של דיאלקטרי נתון.

הקבוע הדיאלקטרי שווה ל: עבור אוויר וגזים - 1; לאבוניט - 2 - 4; עבור נציץ 5 - 8; לשמן 2 - 5; עבור נייר 2 - 2.5; לפרפין - 2 - 2.6.

השדה האלקטרוסטטי של שני גופים טעונים: a - tala טעונים באותו שם, ב - גופים טעונים בצורה שונה

אינדוקציה אלקטרוסטטית

אם לגוף מוליך A בעל צורה כדורית, מבודד מחפצים מסביב, ניתן מטען חשמלי שלילי, כלומר ליצור בו עודף של אלקטרונים, אזי מטען זה יתפזר באופן שווה על פני הגוף.הסיבה לכך היא שהאלקטרונים, הדוחים זה את זה, נוטים להגיע אל פני הגוף.

אנו מניחים גוף לא טעון B, מבודד אף הוא מחפצים מסביב, בשדה גוף A. אז יופיעו מטענים חשמליים על פני גוף B, ובצד הפונה לגוף A, מטען מנוגד למטען של גוף A ( חיובי ), ומצד שני - מטען בעל שם זהה למטען של גוף A (שלילי). המטענים החשמליים המופצים כך נשארים על פני השטח של גוף B בזמן שהוא נמצא בשדה של גוף A. אם גוף B מוסר מהשדה או גוף A מוסר, אזי המטען החשמלי על פני גוף B מנוטרל. שיטה זו של חשמול מרחוק נקראת אינדוקציה אלקטרוסטטית או חשמול על ידי השפעה.

תופעת האינדוקציה האלקטרוסטטית

ברור שמצב מחושמל כזה של הגוף נאלץ ונשמר אך ורק על ידי פעולת כוחות השדה החשמלי שנוצר על ידי גוף A.

אם נעשה את אותו הדבר כאשר גוף A טעון חיובי, אז האלקטרונים החופשיים מהיד של אדם ימהרו לגוף B, ינטרלו את המטען החיובי שלו, וגוף B יהיה טעון שלילי.

ככל שמידת החשמול של גוף A גבוהה יותר, כלומר ככל שהפוטנציאל שלו גדול יותר, כך ניתן לחשמל פוטנציאל גדול יותר באמצעות גוף אינדוקציה אלקטרוסטטי B.

כך הגענו למסקנה שתופעת האינדוקציה האלקטרוסטטית מאפשרת בתנאים מסוימים להצטבר חַשְׁמַל על פני השטח של גופים מוליכים.

כל גוף יכול להיטען לגבול מסוים, כלומר לפוטנציאל מסוים; עלייה בפוטנציאל מעבר לגבול גורמת לפליטה של ​​הגוף לאטמוספירה שמסביב. גופים שונים זקוקים לכמויות שונות של חשמל כדי להביא אותם לאותו פוטנציאל. במילים אחרות, גופים שונים מכילים כמויות שונות של חשמל, כלומר, יש להם יכולות חשמליות שונות (או פשוט יכולות).

קיבולת חשמלית היא היכולת של גוף להכיל כמות מסוימת של חשמל תוך הגדלת הפוטנציאל שלו לערך מסוים. ככל ששטח הפנים של הגוף גדול יותר, כך הגוף יכול להחזיק יותר מטען חשמלי.

אם לגוף יש צורה של כדור, אזי הקיבולת שלו עומדת ביחס ישר לרדיוס הכדור. הקיבול נמדד בפאראדים.

פארדה היא הקיבולת של גוף כזה שלאחר קבלת מטען חשמל בתליון מגדיל את הפוטנציאל שלו בוולט אחד... 1 פארד = 1,000,000 מיקרופארד.

קיבולת חשמלית, כלומר התכונה של גופים מוליכים לצבור מטען חשמלי בעצמם, נמצאת בשימוש נרחב בהנדסת חשמל. המכשיר מבוסס על מאפיין זה קבלים חשמליים.

קיבול של הקבל

קבל מורכב משתי לוחות מתכת (צלחות), מבודדים זה מזה בשכבת אוויר או דיאלקטרי אחר (נציץ, נייר וכו').

אם לאחד הלוחות נותנים מטען חיובי והשני שלילי, כלומר טען אותם הפוך, אזי המטענים של הלוחות, המושכים זה את זה, יוחזקו על הלוחות. זה מאפשר לרכז הרבה יותר חשמל על הלוחות מאשר אילו היו טעונים במרחק אחד מהשני.

לכן, קבל יכול לשמש כמכשיר האוגר כמות משמעותית של חשמל בצלחות שלו. במילים אחרות, קבל הוא אחסון של אנרגיה חשמלית.

הקיבול של הקבל שווה ל:

C = eS / 4pl

כאשר C הוא הקיבול; e הוא הקבוע הדיאלקטרי של הדיאלקטרי; S - שטח של צלחת אחת ב-cm2, NS - מספר קבוע (pi) שווה ל-3.14; l - מרחק בין צלחות בס"מ.

מנוסחה זו ניתן לראות שככל ששטח הלוחות גדל, קיבולת הקבל גדלה, וככל שהמרחק ביניהם גדל, היא יורדת.

בואו נסביר את התלות הזו. ככל ששטח הלוחות גדול יותר, כך הם יכולים לספוג יותר חשמל ולכן קיבולת הקבל תהיה גדולה יותר.

ככל שהמרחק בין הלוחות פוחת, גוברת ההשפעה ההדדית (אינדוקציה) בין המטענים שלהם, מה שמאפשר לרכז יותר חשמל על הלוחות ולכן להגדיל את קיבולת הקבל.

לפיכך, אם אנחנו רוצים לקבל קבל גדול, אנחנו צריכים לקחת לוחות עם שטח גדול ולבודד אותם בשכבה דיאלקטרית דקה.

הנוסחה גם מראה שככל שהקבוע הדיאלקטרי של הדיאלקטרי עולה, הקיבול של הקבל גדל.

לכן, לקבלים בעלי אותם ממדים גיאומטריים אך המכילים דיאלקטריות שונות יש קיבולים שונים.

אם, למשל, ניקח קבל עם דיאלקטרי אוויר שהקבוע הדיאלקטרי שלו שווה לאחדות ונשים בין הלוחות שלו נציץ עם קבוע דיאלקטרי של 5, אז הקיבול של הקבל יגדל פי 5.

לכן, חומרים כמו נציץ, נייר ספוג בפרפין וכו', שהקבוע הדיאלקטרי שלהם גבוה בהרבה מזה של האוויר, משמשים כדיאלקטריים להשגת קיבולת גדולה.

בהתאם לכך, נבדלים בין סוגי הקבלים הבאים: אוויר, דיאלקטרי מוצק ודיאלקטרי נוזלי.

טעינה ופריקה של הקבל. זרם הממתח

הבה נכלול במעגל קבל עם קיבול קבוע. על ידי הנחת המתג על מגע a, הקבל ייכלל במעגל הסוללה. המחט של המיליאממטר ברגע שבו הקבל מחובר למעגל תסטה ואז תהפוך לאפס.

קבל DC

לכן, זרם חשמלי עבר במעגל בכיוון מסוים. אם המתג ממוקם כעת על מגע b (כלומר, סגור את הלוחות), אז מחט המיליאממטר תסטה לכיוון השני ותחזור לאפס. לכן, זרם עבר גם במעגל, אך בכיוון אחר. בואו ננתח את התופעה הזו.

כאשר הקבל חובר לסוללה, הוא נטען, כלומר, הלוחות שלו קיבלו מטען אחד חיובי והשני מטען שלילי. החיוב נמשך עד הבדל פוטנציאלי בין לוחות הקבלים אינו שווה למתח הסוללה. מילימטר המחובר בסדרה במעגל מציין את זרם הטעינה של הקבל, שנפסק מיד לאחר טעינת הקבל.

כאשר הקבל נותק מהסוללה, הוא נשאר טעון, והפרש הפוטנציאל בין הלוחות שלו היה שווה למתח הסוללה.

אולם ברגע שהקבל נסגר, הוא החל להתרוקן וזרם הפריקה עבר במעגל, אך כבר בכיוון המנוגד לזרם הטעינה. זה נמשך עד שהפרש הפוטנציאל בין הלוחות נעלם, כלומר עד שהקבל נפרק.

לכן, אם הקבל כלול במעגל DC, הזרם יזרום במעגל רק בזמן טעינת הקבל, ובעתיד לא יהיה זרם במעגל, כי המעגל ישבר על ידי הדיאלקטרי של הקבל.

לכן אומרים ש"קבל לא מעביר זרם ישר".

כמות החשמל (Q) שניתן לרכז על לוחות הקבל, הקיבולת שלו (C) וערך המתח המסופק לקבל (U) קשורים בקשר הבא: Q = CU.

נוסחה זו מראה שככל שהקיבולת של הקבל גדולה יותר, כך ניתן לרכז בו יותר חשמל מבלי להגדיל משמעותית את המתח על הלוחות שלו.

הגדלת מתח הקיבול DC גם מגדילה את כמות החשמל המאוחסנת על ידי הקבל. עם זאת, אם מתח גדול מופעל על לוחות הקבל, אז הקבל יכול להיות "שבור", כלומר, תחת פעולת המתח הזה, הדיאלקטרי יקרוס במקום כלשהו ויתן לזרם לעבור דרכו. במקרה זה, הקבל יפסיק לתפקד. כדי למנוע נזק לקבלים, הם מציינים את הערך של מתח ההפעלה המותר.

תופעה של קיטוב דיאלקטרי

הבה ננתח כעת מה קורה בדיאלקטרי כאשר קבל נטען ופרוק ומדוע ערך הקיבול תלוי בקבוע הדיאלקטרי?

התשובה לשאלה זו נותנת לנו את התיאוריה האלקטרונית של מבנה החומר.

בדיאלקטרי, כמו בכל מבודד, אין אלקטרונים חופשיים. באטומים של הדיאלקטרי, האלקטרונים קשורים בחוזקה לליבה, ולכן המתח המופעל על לוחות הקבל אינו גורם לתנועה כיוונית של אלקטרונים בדיאלקטרי שלו, כלומר. זרם חשמלי, כמו במקרה של חוטים.

עם זאת, תחת פעולת כוחות השדה החשמלי שנוצרו על ידי הלוחות הטעונים, האלקטרונים המסתובבים סביב גרעין האטום נעקרים לכיוון לוח הקבל הטעון חיובי. במקביל, האטום נמתח לכיוון קווי השדה.מצב זה של אטומים דיאלקטריים נקרא מקוטב, והתופעה עצמה נקראת קיטוב דיאלקטרי.

כאשר הקבל נפרק, המצב המקוטב של הדיאלקטרי נשבר, כלומר, תזוזה של האלקטרונים ביחס לגרעין שנגרם מהקיטוב נעלמת והאטומים חוזרים למצבם הבלתי מקוטב הרגיל. נמצא כי נוכחות דיאלקטרי מחלישה את השדה בין הלוחות של הקבל.

דיאלקטריות שונות בפעולה של אותו שדה חשמלי מקטבים בדרגות שונות. ככל שהדיאלקטרי מקוטב בקלות רבה יותר, כך הוא מחליש את השדה. קיטוב האוויר, למשל, גורם להיחלשות השדה פחותה מקיטוב של כל דיאלקטרי אחר.

אבל היחלשות השדה בין הלוחות של הקבל מאפשרת לך להתרכז בהם כמות גדולה יותר של חשמל Q באותו מתח U, אשר בתורו מוביל לעלייה בקיבולת של הקבל, שכן C = Q / U .

אז הגענו למסקנה - ככל שהקבוע הדיאלקטרי של הדיאלקטרי גדול יותר, כך גדלה הקיבולת של הקבל שמכיל את הדיאלקטרי הזה בהרכבו.

תזוזה של אלקטרונים באטומים של הדיאלקטרי, המתרחשת, כפי שכבר אמרנו, בפעולת כוחות השדה החשמלי, נוצרת בדיאלקטרי, ברגע הראשון של פעולת השדה, חשמלי. זרם נקרא זרם סטיה... הוא נקרא כך מכיוון שבניגוד לזרם ההולכה בחוטים מתכתיים, זרם העקירה נוצר רק על ידי תזוזה של אלקטרונים הנעים באטומים שלהם.

נוכחותו של זרם הטיה זה גורם לקבל המחובר למקור AC להפוך למוליך שלו.

ראה גם בנושא זה: שדה חשמלי ומגנטי: מהם ההבדלים?

המאפיינים העיקריים של השדה החשמלי והמאפיינים החשמליים העיקריים של המדיום (מונחים והגדרות בסיסיים)

חוזק שדה חשמלי

גודל וקטור המאפיינת את פעולת הכוח של שדה חשמלי על גופים וחלקיקים טעונים חשמלית, שווה לגבול היחס של הכוח שבו פועל השדה החשמלי על גוף טעון נקודתי נייח המוכנס בנקודה הנחשבת של השדה ל המטען של גוף זה כאשר מטען זה שואף לאפס ושכיוונו עולה בקנה אחד עם כיוון הכוח הפועל על גוף נקודתי טעון חיובי.

קו שדה חשמלי

ישר בכל נקודה שהמשיק שלו אליו חופף לכיוון וקטור עוצמת השדה החשמלי.

קיטוב חשמלי

מצב החומר המאופיין בעובדה שלמומנט החשמלי של נפח נתון של אותו חומר יש ערך שונה מאפס.

מוליכות חשמלית

תכונתו של חומר להוליך, בהשפעת שדה חשמלי שאינו משתנה בזמן, זרם חשמלי שאינו משתנה בזמן.

דיאלקטרי

חומר שהתכונה החשמלית העיקרית שלו היא יכולת קיטוב בשדה חשמלי ואפשרי קיומו לטווח ארוך של שדה אלקטרוסטטי.

חומר מוליך

חומר שתכונתו החשמלית העיקרית היא מוליכות חשמלית.

מְנַהֵל

גוף מוליך.

חומר מוליך למחצה (מוליכים למחצה)

חומר שהמוליכות החשמלית שלו היא ביניים בין חומר מוליך לדיאלקטרי ותכונותיו המבדילות הן: תלות מובהקת של מוליכות חשמלית בטמפרטורה; שינוי במוליכות החשמלית בעת חשיפה לשדה חשמלי, לאור וגורמים חיצוניים אחרים; תלות משמעותית של המוליכות החשמלית שלו בכמות ובאופי הזיהומים המוכנסים, מה שמאפשר להגביר ולתקן את הזרם החשמלי, כמו גם להמיר סוגים מסוימים של אנרגיה לחשמל.

קיטוב (עוצמת קיטוב)

כמות וקטורית המאפיינת את מידת הקיטוב החשמלי של הדיאלקטרי, שווה לגבול היחס בין המומנט החשמלי של נפח מסוים של הדיאלקטרי לנפח זה כאשר האחרון שואף לאפס.

קבוע חשמלי

כמות סקלרית המאפיינת את השדה החשמלי בחלל, שווה ליחס בין סך המטען החשמלי הכלול במשטח סגור מסוים לבין זרימת וקטור חוזק השדה החשמלי דרך משטח זה בחלל.

רגישות דיאלקטרית מוחלטת

כמות סקלרית המאפיינת את התכונה של דיאלקטרי להיות מקוטב במסה חשמלית, שווה ליחס בין גודל הקיטוב לגודל עוצמת השדה החשמלי.

רגישות דיאלקטרית

היחס בין הרגישות הדיאלקטרית המוחלטת בנקודה הנחשבת של הדיאלקטרי לקבוע החשמלי.

תזוזה חשמלית

כמות וקטור השווה לסכום הגיאומטרי של עוצמת השדה החשמלי בנקודה הנבדקת כפול הקבוע החשמלי והקיטוב באותה נקודה.

קבוע דיאלקטרי מוחלט

כמות סקלרית המאפיינת את התכונות החשמליות של דיאלקטרי ושווה ליחס בין גודל התזוזה החשמלית לגודל מתח השדה החשמלי.

הקבוע הדיאלקטרי

היחס בין הקבוע הדיאלקטרי המוחלט בנקודה הנחשבת של הדיאלקטרי לקבוע החשמלי.

קו מתח לעקירה

קו בכל נקודה שהמשיק אליו חופף לכיוון וקטור התזוזה החשמלי.

אינדוקציה אלקטרוסטטית

תופעת השראת מטענים חשמליים על גוף מוליך בהשפעת שדה אלקטרוסטטי חיצוני.

שדה חשמלי נייח

השדה החשמלי של זרמים חשמליים שאינם משתנים בזמן, בתנאי שהמוליכים נושאי הזרם הם נייחים.

שדה חשמלי פוטנציאלי

שדה חשמלי שבו הרוטור של וקטור עוצמת השדה החשמלי שווה בכל מקום לאפס.

שדה חשמלי אדי

שדה חשמלי שבו הרוטור של וקטור העוצמה לא תמיד שווה לאפס.

ההבדל בפוטנציאלים חשמליים בשתי נקודות

כמות סקלרית המאפיינת שדה חשמלי פוטנציאלי, השווה לגבול היחס בין עבודת הכוחות של שדה זה, כאשר גוף נקודתי טעון חיובי מועבר מנקודה נתונה אחת של השדה לאחרת, למטען של גוף זה. , כאשר מטען הגוף שואף לאפס (אחרת: שווה לאינטגרל הקו של עוצמת השדה החשמלי מנקודה נתונה אחת לאחרת).

פוטנציאל חשמלי בנקודה נתונה

ההבדל בין הפוטנציאלים החשמליים של נקודה נתונה לנקודה אחרת, שצוינה אך נבחרת באופן שרירותי.

קיבול חשמלי של מוליך בודד

כמות סקלרית המאפיינת את יכולתו של מוליך לצבור מטען חשמלי, השווה ליחס בין מטען המוליך לפוטנציאל שלו, בהנחה שכל המוליכים האחרים מרוחקים לאין סוף ושהפוטנציאל של הנקודה המרוחקת לאין שיעור הוא אפסי.

קיבול חשמלי בין שני מוליכים בודדים

ערך סקלרי השווה לערך המוחלט של היחס בין המטען החשמלי במוליך אחד להפרש הפוטנציאלים החשמליים של שני מוליכים, בתנאי שלמוליכים אלה יש אותו גודל אך מנוגד בסימן ושכל המוליכים האחרים נמצאים במרחק אינסופי.

מַעֲבֶה

מערכת של שני מוליכים (צלחות) המופרדים על ידי דיאלקטרי שנועד להשתמש בקיבול בין שני המוליכים.

קיבול של הקבל

הערך המוחלט של היחס בין המטען החשמלי באחת מלוחות הקבלים להפרש הפוטנציאל ביניהם, בתנאי שללוחות יש מטענים באותו גודל ובסימן הפוך.

קיבול בין שני מוליכים במערכת תיל (קיבול חלקי)

הערך המוחלט של היחס בין המטען החשמלי של אחד המוליכים הכלולים במערכת המוליכים להפרש הפוטנציאל בינו לבין מוליך אחר, אם לכל המוליכים, למעט האחרון, יש פוטנציאל זהה; אם הקרקע נכללת במערכת החוטים הנחשבת, הפוטנציאל שלה נלקח כאפס.

שדה חשמלי של צד שלישי

השדה הנגרם על ידי תהליכים תרמיים, תגובות כימיות, תופעות מגע, כוחות מכניים ותהליכים אחרים שאינם אלקטרומגנטיים (בבדיקה מקרוסקופית); מאופיין בהשפעה חזקה על חלקיקים וגופים טעונים הנמצאים באזור בו קיים שדה זה.

שדה חשמלי מושרה

שדה חשמלי המושרה על ידי השדה המגנטי המשתנה בזמן.

כוח אלקטרומוטיבי E.d.S.

כמות סקלרית המאפיינת את יכולתו של שדה חשמלי חיצוני ומושרה להשרות זרם חשמלי השווה לאינטגרל הליניארי של עוצמת השדות החשמליים החיצוניים והמוששרים בין שתי נקודות לאורך הנתיב הנחשב או לאורך המעגל הסגור הנחשב.

מתח

כמות סקלרית השווה לאינטגרל הליניארי של עוצמת השדה החשמלי שנוצר (אלקטרוסטטי, נייח, חיצוני, אינדוקטיבי) בין שתי נקודות לאורך הנתיב הנחשב.