Elektrik alanı, elektrostatik indüksiyon, kapasitans ve kapasitörler

Elektrik alan konsepti

Elektrik alan kuvvetlerinin, elektrik yüklerinin etrafındaki boşlukta hareket ettiği bilinmektedir. Yüklü cisimler üzerinde yapılan çok sayıda deney bunu tamamen doğrulamaktadır. Herhangi bir yüklü cismin etrafındaki boşluk, elektrik kuvvetlerinin etki ettiği bir elektrik alanıdır.

Alan kuvvetlerinin yönüne elektrik alan çizgileri denir. Bu nedenle, genel olarak bir elektrik alanının bir kuvvet çizgileri toplamı olduğu kabul edilir.

Alan çizgilerinin belirli özellikleri vardır:

• kuvvet çizgileri her zaman pozitif yüklü bir cisimden çıkar ve negatif yüklü bir cisme girer;

• yüklü cismin yüzeyine dik tüm yönlerde çıkarlar ve ona dik olarak girerler;

• eşit yüklü iki cismin kuvvet çizgileri birbirini iter gibi görünür ve zıt yüklü cisimler birbirini çeker.

Elektrik alan kuvvet çizgileri, yüklü cisimlerin yüzeyinde kırıldıkça her zaman açıktır.Elektrik yüklü cisimler etkileşir: zıt yüklü cisimler birbirini çeker ve benzer şekilde iter.

q1 ve q2 yüklerine sahip elektrik yüklü cisimler (parçacıklar), bir vektör miktarı olan ve newton (N) cinsinden ölçülen F kuvveti ile birbirleriyle etkileşime girer. Zıt yüklere sahip cisimler birbirini çeker ve benzer yüklere sahip cisimler birbirini iter.

Çekim veya itme kuvveti, cisimler üzerindeki yüklerin büyüklüğüne ve aralarındaki mesafeye bağlıdır.

Yüklü cisimler, cisimler arasındaki mesafe r'ye kıyasla doğrusal boyutları küçükse nokta olarak adlandırılır. Etkileşim kuvvetlerinin F büyüklüğü, q1 ve q2 yüklerinin büyüklüğüne, aralarındaki r mesafesine ve elektrik yüklerinin bulunduğu ortama bağlıdır.

Cisimler arasındaki boşlukta hava yoksa, ancak başka bir dielektrik, yani elektriği iletmeyen bir cisim varsa, o zaman cisimler arasındaki etkileşim kuvveti azalacaktır.

Bir dielektrik özelliklerini karakterize eden ve belirli bir dielektrik hava ile değiştirilirse, yükler arasındaki etkileşim kuvvetinin kaç kat artacağını gösteren değere belirli bir dielektrik maddenin bağıl geçirgenliği denir.

Dielektrik sabiti şuna eşittir: hava ve gazlar için — 1; ebonit için — 2 — 4; mika 5 — 8 için; yağ 2 — 5 için; kağıt 2 — 2.5 için; parafin için — 2 — 2.6.

İki yüklü cismin elektrostatik alanı: a — tala aynı adla yüklenir, b — cisimler farklı şekilde yüklenir

elektrostatik indüksiyon

Çevreleyen nesnelerden izole edilmiş küresel bir şekle sahip iletken bir A gövdesine negatif bir elektrik yükü verilirse, yani içinde fazla elektron oluşturmak için, bu yük vücudun yüzeyine eşit olarak dağıtılacaktır.Bunun nedeni, birbirini iten elektronların vücudun yüzeyine gelme eğiliminde olmasıdır.

Yüksüz bir B gövdesini, çevredeki nesnelerden de izole edilmiş olarak, A gövdesinin alanına yerleştiriyoruz. Daha sonra, B gövdesinin yüzeyinde ve A gövdesine bakan tarafta, A gövdesinin yükünün zıttı bir yük ( pozitif ) ve diğer tarafta - A gövdesinin yüküyle aynı ada sahip bir yük (negatif). Bu şekilde dağılan elektrik yükleri, cisim A cismi alanındayken B cismi yüzeyinde kalır. B cismi alandan çıkarılırsa veya A cismi uzaklaştırılırsa, B cismi yüzeyindeki elektrik yükü nötralize olur. Bu uzaktan elektrifikasyon yöntemine elektrostatik indüksiyon veya etki yoluyla elektrifikasyon denir.

Elektrostatik indüksiyon olgusu

Vücudun böyle bir elektriklenme durumunun, yalnızca A gövdesi tarafından yaratılan elektrik alan kuvvetlerinin etkisiyle zorlandığı ve sürdürüldüğü açıktır.

A gövdesi pozitif yüklüyken aynısını yaparsak, kişinin elinden çıkan serbest elektronlar B gövdesine koşacak, pozitif yükünü nötralize edecek ve B gövdesi negatif olarak yüklenecektir.

A gövdesinin elektrifikasyon derecesi ne kadar yüksekse, yani potansiyeli ne kadar büyükse, elektrostatik indüksiyon gövdesi B vasıtasıyla o kadar büyük potansiyel elektriklendirilebilir.

Böylece, elektrostatik indüksiyon fenomeninin belirli koşullar altında birikmeyi mümkün kıldığı sonucuna vardık. elektrik iletken cisimlerin yüzeyinde.

Herhangi bir cisim belirli bir sınıra, yani belirli bir potansiyele kadar yüklenebilir; potansiyelin sınırın ötesinde artması, cismin çevredeki atmosfere fırlatılmasına neden olur. Farklı cisimler, onları aynı potansiyele getirmek için farklı miktarlarda elektriğe ihtiyaç duyar. Başka bir deyişle, farklı cisimler farklı miktarlarda elektrik içerirler, yani farklı elektrik kapasitelerine (ya da basitçe kapasitelerine) sahiptirler.

Elektrik kapasitesi, bir cismin potansiyelini belirli bir değere yükseltirken belirli bir miktarda elektriği tutma yeteneğidir. Vücudun yüzey alanı ne kadar büyükse, vücudun tutabileceği elektrik yükü o kadar fazladır.

Gövde bir top şeklindeyse, kapasitesi topun yarıçapı ile doğru orantılıdır. Kapasitans farad cinsinden ölçülür.

Bir farada, bir sarkıt içinde elektrik yükü aldıktan sonra potansiyelini bir volt artıran böyle bir cismin kapasitesidir... 1 farad = 1.000.000 mikrofarad.

Elektrik kapasitesi, yani iletken cisimlerin kendi içlerinde elektrik yükü biriktirme özelliği, elektrik mühendisliğinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Cihaz bu özelliği temel alır elektrik kondansatörleri.

Kapasitörün kapasitansı

Bir kapasitör, birbirinden bir hava tabakası veya başka bir dielektrik (mika, kağıt vb.) İle izole edilmiş iki metal plakadan (plaka) oluşur.

Plakalardan birine pozitif, diğerine negatif yük verilirse, yani zıt yüklerse, o zaman plakaların karşılıklı olarak çeken yükleri plakalar üzerinde tutulacaktır. Bu, birbirlerinden belli bir mesafede şarj edilmelerine göre çok daha fazla elektriğin plakalar üzerinde yoğunlaşmasını sağlar.

Bu nedenle, bir kapasitör, plakalarında önemli miktarda elektrik depolayan bir cihaz görevi görebilir. Başka bir deyişle, kapasitör elektrik enerjisinin depolanmasıdır.

Kapasitörün kapasitansı şuna eşittir:

C = eS / 4pl

burada C kapasitanstır; e, dielektrikin dielektrik sabitidir; S - bir plakanın cm2 cinsinden alanı, NS - sabit sayı (pi) 3.14'e eşittir; l - cm cinsinden plakalar arasındaki mesafe.

Bu formülden, plakaların alanı arttıkça kapasitörün kapasitesinin arttığı ve aralarındaki mesafe arttıkça azaldığı görülmektedir.

Bu bağımlılığı açıklayalım. Plakaların alanı ne kadar büyük olursa, o kadar fazla elektrik emebilirler ve bu nedenle kapasitörün kapasitesi daha büyük olacaktır.

Plakalar arasındaki mesafe azaldıkça yükleri arasındaki karşılıklı etki (endüksiyon) artar, bu da elektriğin plakalar üzerinde daha fazla yoğunlaşmasını ve dolayısıyla kapasitörün kapasitesinin artmasını mümkün kılar.

Bu nedenle, büyük bir kapasitör elde etmek istiyorsak, geniş bir alana sahip plakaları almamız ve bunları ince bir dielektrik katmanla yalıtmamız gerekir.

Formül ayrıca, dielektrikin dielektrik sabiti arttıkça kapasitörün kapasitansının arttığını gösterir.

Bu nedenle, aynı geometrik boyutlara sahip ancak farklı dielektrikler içeren kapasitörler, farklı kapasitanslara sahiptir.

Örneğin, dielektrik sabiti bire eşit olan hava dielektrikli bir kapasitör alırsak ve plakalarının arasına dielektrik sabiti 5 olan mika koyarsak, kapasitörün kapasitansı 5 kat artacaktır.

Bu nedenle, dielektrik sabiti havanınkinden çok daha yüksek olan mika, parafin emdirilmiş kağıt vb. malzemeler dielektrik olarak kullanılarak büyük bir kapasite elde edilir.

Buna göre, aşağıdaki kapasitör tipleri ayırt edilir: hava, katı dielektrik ve sıvı dielektrik.

Kapasitörün şarj edilmesi ve boşaltılması. Önyargı akımı

Devreye sabit kapasitanslı bir kondansatör dahil edelim. Anahtarı a kontağı üzerine getirerek, kondansatör akü devresine dahil edilecektir. Kondansatörün devreye bağlandığı anda miliampermetrenin ibresi önce sapacak sonra sıfır olacaktır.

DC kondansatör

Bu nedenle devreden belirli bir yönde bir elektrik akımı geçmiştir. Anahtar şimdi b kontağı üzerine yerleştirilirse (yani plakaları kapatın), o zaman miliampermetre iğnesi diğer yöne sapacak ve sıfıra dönecektir. Bu nedenle, devreden farklı bir yönde bir akım da geçti. Bu fenomeni analiz edelim.

Kondansatör aküye bağlandığında şarj oldu, yani plakaları biri pozitif diğeri negatif yük aldı. Faturalandırma şu tarihe kadar devam eder: potansiyel fark kondansatör plakaları arasındaki akü voltajına eşit değildir. Devrede seri olarak bağlanan bir miliampermetre, kapasitörün şarj olma akımını gösterir ve kapasitör şarj edildikten hemen sonra durur.

Kapasitör aküden ayrıldığında şarjlı kaldı ve plakaları arasındaki potansiyel fark akü voltajına eşitti.

Bununla birlikte, kapasitör kapatılır kapatılmaz boşalmaya başladı ve deşarj akımı devreden geçti, ancak zaten şarj akımının tersi yönde. Bu, plakalar arasındaki potansiyel fark kaybolana kadar, yani kondansatör boşalana kadar devam eder.

Bu nedenle, kondansatör DC devresine dahil edilirse, akım sadece kondansatörü şarj etme anında devrede akacak ve gelecekte devre dielektrik tarafından kesileceği için devrede akım olmayacaktır. kapasitörün.

Bu yüzden “Kondansatör doğru akımı geçirmez” derler.

Kondansatörün plakaları üzerinde yoğunlaşabilecek elektrik miktarı (Q), kapasitesi (C) ve kondansatöre sağlanan voltajın değeri (U) aşağıdaki ilişki ile ilişkilidir: Q = CU.

Bu formül, kapasitörün kapasitesi ne kadar büyük olursa, plakalarındaki voltajı önemli ölçüde artırmadan üzerinde daha fazla elektriğin yoğunlaşabileceğini gösterir.

DC kapasitans voltajının arttırılması, kondansatörün depoladığı elektrik miktarını da arttırır. Bununla birlikte, kapasitörün plakalarına büyük bir voltaj uygulanırsa, kapasitör "kırılabilir", yani bu voltajın etkisi altında dielektrik bir yerde çökecek ve akımın içinden geçmesine izin verecektir. Bu durumda, kapasitör işlevini durduracaktır. Kondansatörlerin hasar görmesini önlemek için izin verilen çalışma voltajının değerini gösterirler.

Dielektrik polarizasyon olgusu

Şimdi bir kondansatör yüklendiğinde ve boşaldığında bir dielektrikte ne olduğunu ve kapasitansın değerinin neden dielektrik sabitine bağlı olduğunu analiz edelim.

Bu sorunun cevabı bize maddenin yapısının elektronik teorisini verir.

Herhangi bir yalıtkanda olduğu gibi bir dielektrikte de serbest elektron yoktur. Dielektrik atomlarında, elektronlar çekirdeğe sıkıca bağlıdır, bu nedenle kapasitörün plakalarına uygulanan voltaj, dielektrikte elektronların yönlü hareketine neden olmaz, yani. elektrik akımı, tellerde olduğu gibi.

Bununla birlikte, yüklü plakaların oluşturduğu elektrik alan kuvvetlerinin etkisi altında, atom çekirdeği etrafında dönen elektronlar, pozitif yüklü kapasitör plakasına doğru yer değiştirir. Aynı zamanda, atom alan çizgileri yönünde gerilir, dielektrik atomların bu durumuna polarize denir ve olgunun kendisine dielektrik polarizasyon denir.

Kapasitör boşaldığında, dielektrikin polarize durumu bozulur, yani elektronların çekirdeğe göre polarizasyonun neden olduğu yer değiştirmesi kaybolur ve atomlar normal polarize olmayan durumlarına geri döner. Dielektrik varlığının kapasitörün plakaları arasındaki alanı zayıflattığı bulundu.

Aynı elektrik alanının etkisi altındaki farklı dielektrikler, farklı derecelerde polarize olur. Dielektrik ne kadar kolay polarize olursa, alanı o kadar zayıflatır. Örneğin havanın polarizasyonu, diğer herhangi bir dielektrik polarizasyonundan daha az alan zayıflamasına neden olur.

Ancak kondansatörün plakaları arasındaki alanın zayıflaması, aynı voltaj U'da onlara daha fazla miktarda elektrik Q konsantre olmanızı sağlar, bu da kapasitörün kapasitesinde bir artışa yol açar, çünkü C = Q / U .

Böylece sonuca vardık - dielektrikin dielektrik sabiti ne kadar büyükse, bileşiminde bu dielektrik içeren kapasitörün kapasitesi de o kadar büyük olur.

Dielektrik atomlarındaki elektronların, daha önce de söylediğimiz gibi, elektrik alan kuvvetlerinin etkisi altında meydana gelen yer değiştirmesi, dielektrikte, alanın etkisinin ilk anında, bir elektrik oluşturur. akım Saptırma akımı denir... Metal tellerdeki iletim akımının aksine, yer değiştirme akımı yalnızca atomlarında hareket eden elektronların yer değiştirmesiyle üretildiği için bu şekilde adlandırılmıştır.

Bu ön akımın varlığı, AC kaynağına bağlı kondansatörün iletken olmasına neden olur.

Bu konuda ayrıca bakınız: Elektrik ve Manyetik Alan: Farkları Nelerdir?

Elektrik alanın ana özellikleri ve ortamın ana elektriksel özellikleri (temel terimler ve tanımlar)

elektrik alan kuvveti

Bir elektrik alanının elektrik yüklü cisimler ve parçacıklar üzerindeki kuvvet hareketini karakterize eden bir vektör miktarı, elektrik alanın, alanın dikkate alınan noktasında sokulan sabit nokta yüklü bir cisim üzerinde etki ettiği kuvvetin oranının sınırına eşittir. Bu yük sıfıra meylettiğinde ve yönünün pozitif yüklü bir nokta cisme etki eden kuvvetin yönü ile çakıştığı varsayıldığında, bu cismin yükü.

Bir elektrik alan çizgisi

Herhangi bir noktada kendisine teğeti elektrik alan kuvveti vektörünün yönü ile çakışan bir çizgi.

elektrik polarizasyonu

Maddenin belirli bir hacminin elektrik momentinin sıfırdan farklı bir değere sahip olmasıyla karakterize edilen maddenin durumu.

Elektiriksel iletkenlik

Bir maddenin zamanla değişmeyen bir elektrik alanın etkisi altında zamanla değişmeyen bir elektrik akımını iletme özelliği.

Dielektrik

Ana elektriksel özelliği, bir elektrik alanında kutuplaşma yeteneği olan ve içinde bir elektrostatik alanın uzun süreli varlığının mümkün olduğu bir madde.

iletken bir madde

Ana elektriksel özelliği elektriksel iletkenlik olan bir madde.

Müdür

İletken gövde.

Yarı iletken madde (yarı iletken)

Elektriksel iletkenliği, iletken bir madde ile bir dielektrik arasında orta düzeyde olan ve ayırt edici özellikleri aşağıdakiler olan bir madde: elektriksel iletkenliğin sıcaklığa belirgin bir şekilde bağlı olması; bir elektrik alanına, ışığa ve diğer dış etkenlere maruz kaldığında elektrik iletkenliğindeki değişiklik; elektrik iletkenliğinin, elektrik akımını yükseltmeyi ve düzeltmeyi ve ayrıca bazı enerji türlerini elektriğe dönüştürmeyi mümkün kılan, ortaya çıkan safsızlıkların miktarına ve doğasına önemli ölçüde bağımlıdır.

Polarizasyon (polarizasyon yoğunluğu)

Belirli bir dielektrik hacminin elektrik momentinin bu hacme oranının, ikincisi sıfıra eğilimli olduğunda sınırına eşit olan, dielektrik maddenin elektrik polarizasyon derecesini karakterize eden bir vektör miktarı.

elektrik sabiti

Belirli bir kapalı yüzeyde bulunan toplam elektrik yükünün boşluktaki bu yüzeyden geçen elektrik alan kuvveti vektörünün akışına oranına eşit olan, bir boşluktaki elektrik alanını karakterize eden skaler bir nicelik.

mutlak dielektrik duyarlılık

Bir elektrik kütlesinde polarize edilecek bir dielektrik özelliğini karakterize eden, polarizasyon büyüklüğünün elektrik alan kuvvetinin büyüklüğüne oranına eşit olan skaler bir miktar.

dielektrik hassasiyeti

Dielektrikin dikkate alınan noktasındaki mutlak dielektrik duyarlılığının elektrik sabitine oranı.

elektrik yer değiştirme

İncelenen noktadaki elektrik alan kuvvetinin geometrik toplamının aynı noktadaki elektrik sabiti ve polarizasyon ile çarpımına eşit bir vektör miktarı.

mutlak dielektrik sabiti

Bir dielektrikin elektriksel özelliklerini karakterize eden ve elektriksel yer değiştirmenin büyüklüğünün elektrik alan voltajının büyüklüğüne oranına eşit olan skaler bir miktar.

dielektrik sabiti

Dielektrikin dikkate alınan noktasındaki mutlak dielektrik sabitinin elektrik sabitine oranı.

Yer değiştirme güç hattı

Her noktasında kendisine teğeti elektrik yer değiştirme vektörünün yönü ile çakışan bir çizgi.

elektrostatik indüksiyon

Harici bir elektrostatik alanın etkisi altında iletken bir cisim üzerinde elektrik yüklerinin indüklenmesi olgusu.

sabit elektrik alanı

Akım taşıyan iletkenlerin sabit olması koşuluyla zamanla değişmeyen elektrik akımlarının elektrik alanı.

Potansiyel elektrik alanı

Elektrik alan şiddeti vektörünün rotorunun her yerde sıfıra eşit olduğu bir elektrik alanı.

Girdap elektrik alanı

Yoğunluk vektörünün rotorunun her zaman sıfıra eşit olmadığı bir elektrik alanı.

İki noktadaki elektrik potansiyellerindeki fark

Pozitif yüklü bir nokta cisim alanın belirli bir noktasından diğerine aktarıldığında, bu alanın kuvvetlerinin çalışmalarının oranının sınırına eşit olan potansiyel bir elektrik alanını karakterize eden skaler bir miktar, bu cismin yüküne , vücudun yükü sıfır olma eğiliminde olduğunda (aksi takdirde: belirli bir noktadan diğerine elektrik alan şiddetinin çizgi integraline eşittir).

Belirli bir noktadaki elektrik potansiyeli

Belirli bir noktanın elektrik potansiyelleri ile belirtilen ancak keyfi olarak seçilen başka bir nokta arasındaki fark.

Tek bir iletkenin elektriksel kapasitansı

Diğer tüm iletkenlerin sonsuz uzaklıkta olduğu ve sonsuz uzak noktanın potansiyelinin sıfır olduğu varsayıldığında, iletkenin yükünün potansiyeline oranına eşit olan, bir iletkenin elektrik yükü biriktirme yeteneğini karakterize eden skaler bir nicelik.

İki tek iletken arasındaki elektriksel kapasitans

Bir iletken üzerindeki elektrik yükünün iki iletkenin elektrik potansiyellerindeki farka oranının mutlak değerine eşit bir skaler değer, bu iletkenlerin aynı büyüklüğe ancak zıt işarete sahip olması ve diğer tüm iletkenlerin sonsuz uzaklıkta olması şartıyla.

kondansatör

İki iletken arasındaki kapasitansı kullanmak üzere tasarlanmış bir dielektrikle ayrılmış iki iletkenden (plaka) oluşan bir sistem.

Kapasitörün kapasitansı

Plakaların aynı büyüklükte ve zıt işaretli yüklere sahip olması koşuluyla, kapasitör plakalarından birindeki elektrik yükünün aralarındaki potansiyel farka oranının mutlak değeri.

Bir telli sistemdeki iki iletken arasındaki kapasitans (kısmi kapasitans)

İletkenler sistemine dahil olan iletkenlerden birinin elektrik yükünün, kendisi ve diğer iletken arasındaki potansiyel farkına oranının mutlak değeri, eğer ikincisi hariç tüm iletkenler aynı potansiyele sahipse; toprak, dikkate alınan tel sistemine dahil edilmişse, potansiyeli sıfır olarak alınır.

Üçüncü taraf elektrik alanı

Termal süreçler, kimyasal reaksiyonlar, temas olayları, mekanik kuvvetler ve diğer elektromanyetik olmayan (makroskopik incelemede) süreçlerin neden olduğu alan; bu alanın bulunduğu alanda bulunan yüklü parçacıklar ve cisimler üzerinde güçlü bir etki ile karakterize edilir.

indüklenen elektrik alan

Zamanla değişen manyetik alan tarafından indüklenen bir elektrik alanı.

Elektromotor kuvveti E. d. S.

Dış ve indüklenmiş bir elektrik alanın, dikkate alınan yol boyunca veya dikkate alınan kapalı devre boyunca iki nokta arasında dış ve indüklenen elektrik alanların gücünün doğrusal integraline eşit bir elektrik akımını indükleme yeteneğini karakterize eden skaler bir nicelik.

Gerilim

Göz önünde bulundurulan yol boyunca iki nokta arasında ortaya çıkan elektrik alanının (elektrostatik, durağan, harici, endüktif) gücünün doğrusal integraline eşit bir skaler nicelik.