Поняття про електронний поле
Зрозуміло, що в просторі, що оточує електронні заряди, діють сили електричного поля.
Численні досліди над зарядженими тілами стовідсотково підтверджують це. Місце, що оточує будь-який заряджене тіло, є електронним полем, в якому діють електронні сили.
Напрямок сил поля називають силовими лініями електричного поля. Тому умовно вважають, що
електронне поле являє собою сукупність силових ліній.
Силові лінії поля володіють певними якостями:
силові лінії виходять завжди з позитивно зарядженого тіла, а входять в тіло, заряджене негативно;
вони виходять на всі боки перпендикулярно поверхні зарядженого тіла і перпендикулярно входять в нього;
силові лінії 2-ух однойменно заряджених тел начебто відштовхуються одна від одної, а різнойменно заряджених - притягуються.
Силові лінії електричного поля завжди розімкнуті, тому що вони обриваються на поверхні заряджених, тел. Електрично заряджені тіла взаємодіють разом: разноименно заряджені притягуються, а однойменно заряджені відштовхуються.
Сила тяжіння або відштовхування залежить від величини зарядів тіл і від відстані між ними.
Якщо в просторі між тілами буде не повітря, а який-небудь інший діелектрик, т. Е. Ізолятор електрики, то сила взаємодії між тілами зменшиться.
Величина, що характеризує характеристики діелектрика і показує,
у скільки разів сила взаємодії між зарядами зросте, якщо даний
діелектрик поміняти повітрям, іменується відносної діелектричної проникністю даного діелектрика.
Діелектрична проникність дорівнює:
для повітря і газів - 1; для ебоніту - 2 - 4; для слюди 5 - 8; для масла 2
- 5; для паперу 2 - 2,5; для парафіну - 2 - 2,6.
Мал. 1 Електростатичне поле 2-ух заряджених тел: а - тала
заряджені однойменно, б - тіла заряджені різнойменно
Якщо проводить тілу А кулястої форми, ізольованому від навколишніх предметів, сказати негативний електричний заряд, т. Е. Зробити в ньому надлишок електронів, то цей заряд помірно розподілиться по шкірі. Так відбувається тому, що електрони, відштовхуючись один від іншого, прагнуть вийти на шкіра.
Помістимо незаряджене тіло Б, також ізольоване від навколишніх предметів, в поле тіла А. Тоді на шкірі Б з'являться електронні заряди, при цьому на стороні, зверненій до тіла
А, з'являється заряд, зворотний заряду тіла А (позитивний), а на іншій стороні - заряд, однойменний з зарядом тіла А (негативний). Електронні заряди, розподіляючись
таким чином, залишаються на шкірі Б до того часу, поки воно знаходиться в полі тіла А. Якщо тіло Б винести з поля або видалити тіло А, то електронний заряд на шкірі Б нейтралізується. Такий метод електризації на відстані іменується
електростатичного індукції або електризацією засобом впливу.
Мал. 2 Явище електростатичної індукції
Зрозуміло, що таке наелектризоване стан тіла є вимушеним і підтримується тільки дією сил електричного поля, зробленого тілом А.
Якщо зробити те ж саме, коли тіло А буде заряджена позитивно, то вільні електрони з руки людини кинуться до тіла Б, нейтралізують його позитивний заряд, і тіло Б виявиться зарядженим негативно.
Чим вище буде ступінь електризації тіла А, т. Е. Що стоїть його потенціал, тим до більшого потенціалу можна наелектризована засобом електростатичного індукції тіло Б.
Таким чином, ми зробили висновок, що явище електростатичної індукції дає можливість при певних умовах збирати електрику на поверхні проводять тел.
Кожне тіло можна зарядити до певної межі, т. Е. До певного потенціалу; збільшення потенціалу понад граничний тягне за собою розряд тіла в навколишнє атмосферу. Для різних тел потрібно різну кількість електрики, щоб довести їх до 1-го і такого ж потенціалу. Інакше кажучи,
різні тіла вміщають різну кількість електрики, т. е. мають різною електронною ємністю (або просто ємністю).
Електронної ємністю називається здатність тіла вміщати в собі певну кількість електрики, підвищуючи при цьому власний потенціал до певної величини. Чим більше шкіра, тим більший електричний заряд може вмістити в себе це тіло.
Якщо тіло має форму кулі, то ємність його знаходиться в прямій залежності від радіуса кулі.
Ємність визначають Фарадей.
Фарада - ємність такого тіла, яке, отримавши заряд електрики в один кулон, збільшує власний потенціал на один вольт.
1 Фарада = 1 000 000 микрофарад.
Електронна ємність. т. е. властивість проводять тел збирати всередині себе електронний заряд, широко використовується в
електротехніці. На цій властивості засновано пристрій електронних конденсаторів.
Конденсатор складається з 2-ух залізних пластинок (обкладок), ізольованих одна від одної прошарком повітря або будь-яким іншим діелектриком (слюдою, папером і т. Д.).
Якщо однією з пластинок сказати позитивний заряд, а інший - негативний, т. Е.
назад зарядити їх, то заряди пластинок, взаємно притягаючи, будуть
утримуватися на пластинках.
Це дозволяє зосередити на пластинках
ще більшу кількість електрики, ніж якби заряджати їх в видаленні одна від
інший.
Отже, конденсатор може служити
пристроєм, що запасають на власних обкладинках значну кількість електрики. Інакше кажучи, конденсатор- це
накопичувач електричної енергії.
Ємність конденсатора дорівнює:
С = е S / 4 π l
де С - ємність;
е - діелектрична проникність діелектрика; S - площа однієї платівки в см2,
π
- незмінне число, рівне 3,14;
l - відстань між пластинами в см.
З цієї формули видно, що з підвищенням площі пластинок ємність конденсатора зростає, а з підвищенням відстані між ними зменшується.
Пояснимо цю залежність. Чим більше площа пластинок, тим більша кількість електрики вони здатні вмістити, а як слід, і ємність конденсатора буде більшою.
При зменшенні відстані між пластинами зростає взаємний вплив (індукція) між їх зарядами, що дозволяє зосередити на пластинках більшу кількість електрики, а як слід, збільшити ємність конденсатора.
Таким чином, якщо ми бажаємо отримати конденсатор великої ємності, ми повинні брати пластинки великої площі і ізолювати їх між собою тонким шаром діелектрика.
Формула вказує також, що з підвищенням діелектричної проникності діелектрика ємність конденсатора зростає.
Отже, конденсатори, рівні за своїми геометричними розмірами, але 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 діелектричної проникністю 5, то ємність конденсатора виросте в 5 разів.
Ось чому для отримання величезних ємностей в якості діелектриків вживають такі матеріали, як слюда, папір, просочена парафіном, і ін. Діелектрична проникність яких істотно більше, ніж у повітря.
Відповідно до цього розрізняють наступні типи конденсаторів: повітряні, з жорстким діелектриком і з рідким діелектриком.
Заряд і розряд конденсатора. струм зміщення
Включимо конденсатор незмінною ємності в ланцюг. При установці тумблера на контакт а конденсатор буде включений в ланцюг батареї. Стрілка міліамперметра в момент включення конденсатора в ланцюг відхилиться і потім стане на нуль.
Конденсатор в ланцюзі постійного струму
Отже, по ланцюгу пройшов електричний струм в певному напрямку. Якщо зараз тумблер поставити на контакт б (т. Е. Замкнути обкладки), то стрілка міліамперметра відхилиться в іншу сторону і знову стане на нуль. Отже, по ланцюгу також пройшов струм, але вже іншого напрямку. Розберемо це явище.
Коли конденсатор був підключений до батареї, він заряджався, т. Е. Його обкладки отримували одна позитивний, а інша негативний заряди. Заряд тривав до того часу, поки різниця потенціалів між обкладинками конденсатора не зрівняли з напругою батареї. Міліамперметр, включений по черзі в ланцюг, показав струм заряду конденсатора, який закінчився, як зарядився конденсатор.
Коли ж конденсатор відключили від батареї, він залишився зарядженим, і різниця потенціалів між його обкладинками дорівнювала напрузі батареї.
Але, як замкнули конденсатор, він почав розряджатися, і по ланцюгу пішов струм розряду, але вже в напрямку, протилежному току заряду. Це тривало до того часу, поки не пропала різниця потенціалів між
обкладинками, т. е. поки конденсатор
чи не розрядився.
Отже, якщо конденсатор включити в ланцюг постійного
струму, то в ланцюзі піде струм виключно в момент заряду конденсатора, а в майбутньому струму в ланцюзі не буде, тому що ланцюг буде розірвана діелектриком конденсатора.
Тому говорять, що «конденсатор не пропускає незмінного струму».
Кількість електрики (Q), яке можна зосередити на пластинках конденсатора, його ємність (С) і величина підводиться до конденсатору напруги (U) пов'язані наступною залежністю:
Q = CU.
Ця формула вказує, що чим більше ємність конденсатора, тим більша кількість електрики можна зосередити на ньому, не підвищуючи дуже напруги на його обкладках.
Збільшення напруги при постійній ємності також призводить до підвищення запасаемого конденсатором кількості електрики. Але якщо до обкладкам конденсатора підвести
величезне напруження, то конденсатор може бути «пробитий», т. е. під дією цієї напруги діелектрик
в якомусь місці зруйнується і пропустить через себе струм. Конденсатор при цьому закінчить свою дію.
Щоб уникнути псування конденсаторів, на їх вказують величину допустимого робочого
напруги.
Явище поляризації діелектрика
Розберемо тепер, що відбувається
в діелектрику при заряді і розряді
конденсатора і чому від діелектричної проникності діелектрика залежить величина ємності?
Відповідь на це питання дає нам електрична теорія будови речовини.
У діелектрику, як у всякому ізоляторі, немає вільних електронів. В атомах діелектрика електрони міцно пов'язані з ядром, тому напруга, прикладена до пластин конденсатора, не викликає в його діелектрику спрямованого руху електронів, т. Е. Електронного струму, як це буває в провідниках.
Але під дією сил електричного поля, зробленого
зарядженими пластинами, електрони, що обертаються навколо ядра атома, зміщуються в
сторону позитивно зарядженої пластинки конденсатора. Атом при цьому начебто
розтягується в напрямку силових ліній поля. Такий стан атомів
діелектрика називають поляризованим, а саме явище - поляризацією діелектрика.
При розряді конденсатора поляризоване стан діелектрика порушується, т. Е. Втрачається викликане поляризацією зміщення електронів щодо ядра, і атоми приходять в своє повсякденне неполяризована стан. Встановлено, що присутність діелектрика послаблює поле між пластинами конденсатора.
Різні діелектрики під дією 1-го і такого ж електронного поля поляризуються в різного ступеня. Чим легше поляризується діелектрик, тим він більше послаблює поле. Поляризація повітря, наприклад, призводить до найменшого ослаблення поля, ніж поляризація будь-якого іншого діелектрика.
Але ослаблення поля між пластинами конденсатора дозволяє зосередити на їх більшу кількість електрики Q при одному і тому ж напрузі U, що в свою чергу, призводить до підвищення ємності конденсатора, так як
С = Q / U.
Отже, ми зробили висновок - чим більше діелектрична проникність діелектрика, тим більшою ємністю володіє конденсатор, що містить в своєму складі цей діелектрик.
Зсув електронів в атомах діелектрика, що відбувається, як ми вже говорили, під дією сил електричного поля, утворює в діелектрику, в 1-ий момент діяння поля, електричний струм, іменований
струмом зміщення. Так він названий тому, що на відміну від струму провідності в залізних провідниках,
струм зміщення з'являється тільки зміщенням електронів, що рухаються в межах власних атомів.
Наявність цього струму зміщення призводить до того, що конденсатор, приєднаний до джерела змінного струму, стає його провідником.