Điện trường, cảm ứng tĩnh điện, điện dung và tụ điện

khái niệm điện trường

Lực điện trường đã biết tác dụng trong không gian xung quanh các điện tích. Nhiều thí nghiệm trên các vật thể tích điện hoàn toàn xác nhận điều này. Không gian xung quanh bất kỳ vật thể tích điện nào là một điện trường trong đó các lực điện tác dụng.

Chiều của lực điện trường gọi là đường sức điện trường. Do đó, người ta thường chấp nhận rằng điện trường là tập hợp các đường sức.

Các dòng trường có các thuộc tính nhất định:

• các đường sức luôn rời vật mang điện tích dương và đi vào vật mang điện tích âm;

• chúng đi ra theo mọi hướng vuông góc với bề mặt của vật tích điện và đi vào theo phương vuông góc;

• các đường sức của hai vật tích điện giống nhau dường như đẩy nhau và các vật tích điện trái dấu hút nhau.

Các đường sức điện trường luôn mở khi chúng phá vỡ bề mặt của các vật thể tích điện.Các vật tích điện tương tác với nhau: tích điện trái dấu thì hút và đẩy nhau.

Các vật (hạt) tích điện có điện tích q1 và q2 tương tác với nhau bằng một lực F, là một đại lượng vectơ và được đo bằng niutơn (N). Các vật mang điện tích trái dấu thì hút nhau và mang điện tích cùng loại thì đẩy nhau.

Lực hút hay lực đẩy phụ thuộc vào độ lớn của các điện tích trên các vật và vào khoảng cách giữa chúng.

Các vật thể tích điện được gọi là điểm nếu kích thước tuyến tính của chúng nhỏ so với khoảng cách r giữa các vật thể. Độ lớn lực tương tác F của chúng phụ thuộc vào độ lớn của các điện tích q1 và q2, khoảng cách r giữa chúng và môi trường đặt các điện tích đó.

Nếu không có không khí trong không gian giữa các vật thể, mà là một số chất điện môi khác, nghĩa là không dẫn điện, thì lực tương tác giữa các vật thể sẽ giảm.

Giá trị đặc trưng cho tính chất của một chất điện môi và cho biết lực tương tác giữa các điện tích sẽ tăng lên bao nhiêu lần nếu thay một chất điện môi đã cho bằng không khí được gọi là hằng số điện môi tương đối của một chất điện môi đã cho.

Hằng số điện môi bằng: đối với không khí và khí — 1; đối với ebonit — 2 — 4; cho mica 5 - 8; cho dầu 2 — 5; cho giấy 2 — 2,5; đối với parafin — 2 — 2,6.

Trường tĩnh điện của hai vật tích điện: a — tala được tích điện cùng tên, b — các vật tích điện khác nhau

cảm ứng tĩnh điện

Nếu một vật dẫn A có dạng hình cầu, cách ly với các vật xung quanh, được mang điện tích âm, tức là tạo ra lượng êlectron dư thừa trong nó, thì điện tích này sẽ phân bố đều trên bề mặt vật thể.Điều này là do các electron, đẩy nhau, có xu hướng nổi lên trên bề mặt cơ thể.

Chúng ta đặt một vật B không tích điện, cũng cách ly với các vật xung quanh, trong trường của vật A. Sau đó, các điện tích sẽ xuất hiện trên bề mặt của vật B, và ở mặt đối diện với vật A, một điện tích trái dấu với điện tích của vật A ( dương ), và mặt khác - một điện tích cùng tên với điện tích của vật A (âm). Do đó, các điện tích được phân bố vẫn còn trên bề mặt của vật thể B trong khi nó nằm trong trường của vật thể A. Nếu vật thể B bị loại bỏ khỏi trường hoặc vật thể A bị loại bỏ, thì điện tích trên bề mặt của vật thể B được trung hòa. Phương pháp nhiễm điện từ xa này được gọi là cảm ứng tĩnh điện hoặc nhiễm điện do ảnh hưởng.

Hiện tượng cảm ứng tĩnh điện

Rõ ràng là trạng thái nhiễm điện như vậy của cơ thể bị cưỡng bức và duy trì độc quyền bởi tác dụng của lực điện trường do cơ thể A tạo ra.

Nếu ta làm tương tự khi vật A nhiễm điện dương thì các êlectron tự do từ tay người này sẽ lao sang vật B trung hòa điện tích dương của nó và vật B sẽ nhiễm điện âm.

Mức độ nhiễm điện của vật thể A càng cao, tức là tiềm năng của nó càng lớn thì khả năng nhiễm điện bằng cảm ứng tĩnh điện của vật thể B càng lớn.

Vì vậy, chúng tôi đã đi đến kết luận rằng hiện tượng cảm ứng tĩnh điện làm cho nó có thể tích lũy trong những điều kiện nhất định điện trên bề mặt vật thể dẫn điện.

Bất kỳ cơ thể nào cũng có thể bị tính phí đến một giới hạn nhất định, nghĩa là đến một tiềm năng nhất định; sự gia tăng tiềm năng vượt quá giới hạn khiến cơ thể bị đẩy ra bầu không khí xung quanh. Các cơ thể khác nhau cần lượng điện khác nhau để đưa chúng đến cùng một tiềm năng. Nói cách khác, các vật thể khác nhau chứa lượng điện khác nhau, nghĩa là chúng có công suất điện (hay đơn giản là công suất) khác nhau.

Công suất điện là khả năng của một cơ thể chứa một lượng điện nhất định trong khi tăng tiềm năng của nó đến một giá trị nhất định. Diện tích bề mặt của cơ thể càng lớn thì cơ thể đó càng chứa được nhiều điện tích.

Nếu cơ thể có hình dạng của một quả bóng, thì công suất của nó tỷ lệ thuận với bán kính của quả bóng. Điện dung được đo bằng farad.

Farada là công suất của một vật thể như vậy, sau khi nhận được điện tích trong mặt dây chuyền, sẽ tăng điện thế của nó thêm một vôn... 1 farad = 1.000.000 microfarad.

Công suất điện, tức là đặc tính tích lũy điện tích của các vật thể dẫn điện, được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện. Thiết bị dựa trên thuộc tính này tụ điện.

Điện dung của tụ điện

Một tụ điện bao gồm hai tấm kim loại (tấm), cách ly với nhau bằng một lớp không khí hoặc một chất điện môi khác (mica, giấy, v.v.).

Nếu một trong các bản được truyền điện tích dương và bản kia mang điện tích âm, tức là tích điện trái dấu, thì điện tích của các bản, hút lẫn nhau, sẽ được giữ trên các bản. Điều này cho phép tập trung nhiều điện hơn vào các tấm so với khi chúng được tích điện ở khoảng cách xa nhau.

Do đó, tụ điện có thể đóng vai trò là thiết bị lưu trữ một lượng điện đáng kể trong các bản cực của nó. Nói cách khác, một tụ điện là một kho lưu trữ năng lượng điện.

Điện dung của tụ điện bằng:

C = eS / 4pl

trong đó C là điện dung; e là hằng số điện môi của chất điện môi; S — diện tích một tấm tính bằng cm2, NS — hằng số (pi) bằng 3,14; l — khoảng cách giữa các tấm tính bằng cm.

Từ công thức này, có thể thấy rằng khi diện tích của các bản tụ điện tăng lên thì công suất của tụ điện tăng lên và khi khoảng cách giữa chúng tăng lên thì nó giảm xuống.

Hãy giải thích sự phụ thuộc này. Diện tích các bản cực càng lớn thì khả năng hấp thụ điện của chúng càng nhiều và do đó dung lượng của tụ điện sẽ càng lớn.

Khi khoảng cách giữa các bản giảm đi, ảnh hưởng lẫn nhau (cảm ứng) giữa các điện tích của chúng tăng lên, điều này giúp tập trung nhiều điện hơn vào các bản và do đó, tăng dung lượng của tụ điện.

Như vậy muốn có được tụ điện lớn ta cần lấy các bản có diện tích lớn và cách điện bằng một lớp điện môi mỏng.

Công thức cũng chỉ ra rằng khi hằng số điện môi của chất điện môi tăng thì điện dung của tụ điện tăng.

Do đó, các tụ điện có cùng kích thước hình học nhưng chứa các chất điện môi khác nhau thì có điện dung khác nhau.

Ví dụ, nếu chúng ta lấy một tụ điện có điện môi không khí có hằng số điện môi bằng 1 và đặt mica có hằng số điện môi là 5 giữa các bản của nó, thì điện dung của tụ điện sẽ tăng lên 5 lần.

Do đó, các vật liệu như mica, giấy tẩm parafin, v.v., có hằng số điện môi cao hơn nhiều so với không khí, được sử dụng làm chất điện môi để thu được công suất lớn.

Theo đó, các loại tụ điện sau đây được phân biệt: không khí, điện môi rắn và điện môi lỏng.

Sạc và xả tụ điện. Xu hướng hiện tại

Hãy để chúng tôi bao gồm một tụ điện có điện dung không đổi trong mạch. Bằng cách đặt công tắc trên tiếp điểm a, tụ điện sẽ được đưa vào mạch pin. Kim của miliampe kế lúc mắc tụ điện vào mạch sẽ lệch rồi trở về số không.

tụ điện một chiều

Do đó, một dòng điện chạy qua mạch theo một hướng nhất định. Nếu bây giờ công tắc được đặt trên tiếp điểm b (tức là đóng các tấm), thì kim milliammeter sẽ lệch theo hướng khác và trở về số không. Do đó, một dòng điện cũng chạy qua mạch, nhưng theo một hướng khác. Hãy phân tích hiện tượng này.

Khi tụ điện được kết nối với pin, nó đã được sạc, nghĩa là các bản của nó nhận được một điện tích dương và một điện tích âm khác. Thanh toán tiếp tục cho đến khi sự khác biệt tiềm năng giữa hai bản tụ điện không bằng hiệu điện thế của ắc quy. Một miliampe kế mắc nối tiếp trong mạch chỉ cường độ dòng điện nạp vào tụ điện, dòng điện này dừng ngay sau khi tụ điện được nạp điện.

Khi ngắt kết nối tụ điện khỏi pin, nó vẫn được sạc và hiệu điện thế giữa các bản của nó bằng với điện áp của pin.

Tuy nhiên, ngay sau khi tụ điện được đóng lại, nó bắt đầu phóng điện và dòng điện phóng điện chạy qua mạch, nhưng ngược hướng với dòng điện tích. Điều này tiếp tục cho đến khi sự khác biệt tiềm năng giữa các tấm biến mất, nghĩa là cho đến khi tụ phóng điện.

Do đó, nếu tụ điện được bao gồm trong mạch điện một chiều, dòng điện sẽ chỉ chạy trong mạch tại thời điểm sạc tụ điện và trong tương lai sẽ không có dòng điện trong mạch, vì mạch điện sẽ bị phá vỡ bởi chất điện môi. của tụ điện.

Đó là lý do tại sao họ nói rằng «Tụ điện không truyền dòng điện một chiều».

Điện lượng (Q) có thể tập trung trên các bản của tụ điện, công suất của nó (C) và giá trị của hiệu điện thế cung cấp cho tụ điện (U) có mối quan hệ với nhau bằng mối quan hệ sau: Q = CU.

Công thức này cho thấy dung lượng của tụ điện càng lớn thì càng có thể tập trung nhiều điện vào nó mà không làm tăng đáng kể hiệu điện thế trên các bản cực của nó.

Tăng điện áp điện dung DC cũng làm tăng lượng điện được lưu trữ bởi tụ điện. Tuy nhiên, nếu một điện áp lớn được đặt vào các bản của tụ điện, thì tụ điện có thể bị "vỡ", nghĩa là dưới tác động của điện áp này, chất điện môi sẽ sụp đổ ở một số nơi và cho phép dòng điện đi qua nó. Trong trường hợp này, tụ điện sẽ ngừng hoạt động. Để tránh làm hỏng các tụ điện, chúng chỉ ra giá trị của điện áp hoạt động cho phép.

Hiện tượng phân cực điện môi

Bây giờ chúng ta hãy phân tích điều gì xảy ra trong một chất điện môi khi một tụ điện được tích điện và phóng điện và tại sao giá trị của điện dung lại phụ thuộc vào hằng số điện môi?

Câu trả lời cho câu hỏi này cho chúng ta lý thuyết điện tử về cấu trúc của vật chất.

Trong một chất điện môi, cũng như trong bất kỳ chất cách điện nào, không có các electron tự do. Trong các nguyên tử của chất điện môi, các electron liên kết chặt chẽ với lõi, do đó điện áp đặt vào các bản của tụ điện không gây ra chuyển động có hướng của các electron trong chất điện môi của nó, tức là dòng điện, như trong trường hợp dây dẫn.

Tuy nhiên, dưới tác dụng của lực điện trường do các bản tụ điện tạo ra, các êlectron quay quanh hạt nhân nguyên tử bị dịch chuyển về phía bản tụ điện tích điện dương. Đồng thời, nguyên tử bị kéo căng theo hướng của các đường sức, trạng thái này của nguyên tử điện môi được gọi là phân cực, bản thân hiện tượng này được gọi là phân cực điện môi.

Khi phóng điện tụ điện, trạng thái phân cực của chất điện môi bị phá vỡ, nghĩa là sự dịch chuyển của các electron so với hạt nhân do sự phân cực gây ra biến mất và các nguyên tử trở lại trạng thái không phân cực thông thường. Người ta thấy rằng sự có mặt của chất điện môi làm suy yếu trường giữa các bản của tụ điện.

Các chất điện môi khác nhau dưới tác dụng của cùng một điện trường sẽ phân cực ở các mức độ khác nhau. Chất điện môi càng dễ bị phân cực thì trường càng yếu. Ví dụ, sự phân cực của không khí dẫn đến sự suy yếu trường ít hơn so với sự phân cực của bất kỳ chất điện môi nào khác.

Nhưng sự suy yếu của trường giữa các bản của tụ điện cho phép bạn tập trung vào chúng một lượng điện Q lớn hơn ở cùng một điện áp U, do đó dẫn đến sự gia tăng công suất của tụ điện, vì C = Q / U .

Vì vậy, chúng tôi đi đến kết luận - hằng số điện môi của chất điện môi càng lớn thì công suất của tụ điện chứa chất điện môi này trong thành phần của nó càng lớn.

Sự dịch chuyển của các electron trong các nguyên tử của chất điện môi, xảy ra, như chúng ta đã nói, dưới tác dụng của lực điện trường, được hình thành trong chất điện môi, tại thời điểm đầu tiên tác dụng của trường, một dòng điện dòng điện . Gọi là dòng điện lệch... Nó được đặt tên như vậy vì không giống như dòng điện dẫn trong dây dẫn kim loại, dòng điện dịch chuyển chỉ được tạo ra do sự dịch chuyển của các êlectron chuyển động trong nguyên tử của chúng.

Sự hiện diện của dòng điện phân cực này làm cho tụ điện được kết nối với nguồn AC trở thành dây dẫn của nó.

Xem thêm về chủ đề này: Điện trường và Từ trường: Sự khác biệt là gì?

Các đặc điểm chính của điện trường và các đặc điểm điện chính của môi trường (thuật ngữ và định nghĩa cơ bản)

cường độ điện trường

Một đại lượng vectơ đặc trưng cho tác dụng lực của điện trường lên các vật và hạt mang điện, bằng giới hạn của tỷ số lực mà điện trường tác dụng lên một vật tích điện điểm đứng yên đặt tại điểm đang xét của trường điện tích của vật này khi điện tích này có xu hướng bằng không và hướng của nó được cho là trùng với hướng của lực tác dụng lên một vật điểm tích điện dương.

Một đường sức điện trường

Đường thẳng tại một điểm có tiếp tuyến với nó trùng với phương của véc tơ cường độ điện trường.

phân cực điện

Trạng thái của vật chất được đặc trưng bởi thực tế là mô men điện của một thể tích nhất định của chất đó có giá trị khác không.

Tinh dân điện

Tính chất của một chất dẫn điện, dưới tác dụng của điện trường không thay đổi theo thời gian, dòng điện không thay đổi theo thời gian.

điện môi

Một chất có tính chất điện chính là khả năng phân cực trong điện trường và trong đó có thể tồn tại lâu dài trường tĩnh điện.

Chất dẫn điện

Một chất có tính chất điện chính là tính dẫn điện.

Giám đốc

Thân dẫn điện.

Chất bán dẫn (semiconductor)

Một chất có độ dẫn điện trung gian giữa chất dẫn điện và chất điện môi và có các đặc tính phân biệt là: sự phụ thuộc rõ rệt của độ dẫn điện vào nhiệt độ; thay đổi độ dẫn điện khi tiếp xúc với điện trường, ánh sáng và các yếu tố bên ngoài khác; sự phụ thuộc đáng kể của tính dẫn điện của nó vào số lượng và tính chất của các tạp chất được đưa vào, giúp nó có thể khuếch đại và hiệu chỉnh dòng điện, cũng như chuyển đổi một số loại năng lượng thành điện năng.

Phân cực (cường độ phân cực)

Một đại lượng vectơ đặc trưng cho mức độ phân cực điện của chất điện môi, bằng giới hạn của tỷ số mô men điện của một thể tích nhất định của chất điện môi với thể tích này khi thể tích sau có xu hướng bằng không.

hằng số điện

Một đại lượng vô hướng đặc trưng cho điện trường trong một khoang, bằng tỷ số giữa tổng điện tích chứa trong một bề mặt kín nhất định với dòng của vectơ cường độ điện trường qua bề mặt này trong khoảng trống.

Độ nhạy điện môi tuyệt đối

Một đại lượng vô hướng đặc trưng cho tính chất của một chất điện môi bị phân cực trong một khối điện, bằng tỷ số giữa độ lớn của độ phân cực với độ lớn của cường độ điện trường.

độ nhạy điện môi

Tỷ lệ giữa độ nhạy điện môi tuyệt đối tại điểm được xem xét của chất điện môi với hằng số điện.

dịch chuyển điện

Một đại lượng vectơ bằng tổng hình học của cường độ điện trường tại điểm đang xét nhân với hằng số điện trường và độ phân cực tại điểm đó.

hằng số điện môi tuyệt đối

Một đại lượng vô hướng đặc trưng cho các tính chất điện của một chất điện môi và bằng tỷ số giữa độ lớn của độ dịch chuyển điện với độ lớn của điện trường.

hằng số điện môi

Tỷ số giữa hằng số điện môi tuyệt đối tại điểm đang xét của chất điện môi với hằng số điện.

Đường dây điện dịch chuyển

Một đường thẳng tại mọi điểm mà tiếp tuyến của nó trùng với hướng của vectơ dịch chuyển điện trường.

cảm ứng tĩnh điện

Hiện tượng cảm ứng điện tích trên vật dẫn điện dưới tác dụng của trường tĩnh điện bên ngoài.

Điện trường cố định

Điện trường của các dòng điện không đổi theo thời gian với điều kiện các dây dẫn mang dòng điện đứng yên.

điện trường tiềm năng

Một điện trường mà trong đó rô to vectơ cường độ điện trường ở mọi nơi đều bằng không.

điện trường xoáy

Một điện trường trong đó rôto của vectơ cường độ không phải lúc nào cũng bằng không.

Hiệu điện thế tại hai điểm

Một đại lượng vô hướng đặc trưng cho một điện trường tiềm năng, bằng giới hạn của tỷ lệ công của các lực của trường này, khi một vật thể tích điện dương được chuyển từ một điểm nhất định của trường này sang một điểm khác, với điện tích của vật thể này , khi điện tích của vật có xu hướng bằng không (ngược lại: bằng tích phân đường của cường độ điện trường từ điểm này đến điểm khác).

Điện thế tại một điểm đã cho

Sự khác biệt giữa điện thế của một điểm nhất định và một điểm khác, được chỉ định nhưng được chọn tùy ý.

Điện dung của một dây dẫn

Một đại lượng vô hướng đặc trưng cho khả năng tích lũy điện tích của một vật dẫn, bằng tỷ lệ giữa điện tích của vật dẫn với điện thế của nó, giả sử rằng tất cả các vật dẫn khác ở xa vô tận và tiềm năng của điểm ở xa vô cùng được coi là bằng không.

Điện dung giữa hai dây dẫn đơn

Một giá trị vô hướng bằng giá trị tuyệt đối của tỷ lệ điện tích trên một dây dẫn với hiệu điện thế của hai dây dẫn, với điều kiện là các dây dẫn này có cùng độ lớn nhưng trái dấu và tất cả các dây dẫn khác đều ở xa vô tận.

Tụ điện

Một hệ thống gồm hai dây dẫn (tấm) được ngăn cách bởi một chất điện môi được thiết kế để sử dụng điện dung giữa hai dây dẫn.

Điện dung của tụ điện

Giá trị tuyệt đối của tỷ lệ điện tích trên một trong các bản của tụ điện với hiệu điện thế giữa chúng, với điều kiện là các bản có điện tích cùng độ lớn và ngược dấu.

Điện dung giữa hai dây dẫn trong hệ thống dây dẫn (điện dung một phần)

Giá trị tuyệt đối của tỷ lệ điện tích của một trong các dây dẫn có trong hệ thống dây dẫn với hiệu điện thế giữa nó và dây dẫn khác, nếu tất cả các dây dẫn, ngoại trừ dây dẫn sau, đều có cùng tiềm năng; nếu mặt đất được bao gồm trong hệ thống dây được xem xét, thì tiềm năng của nó được coi là bằng không.

Điện trường bên thứ ba

Trường gây ra bởi các quá trình nhiệt, phản ứng hóa học, hiện tượng tiếp xúc, lực cơ học và các quá trình phi điện từ khác (trong kiểm tra vĩ mô); được đặc trưng bởi tác dụng mạnh lên các hạt và vật thể tích điện nằm trong khu vực tồn tại trường này.

điện trường cảm ứng

Điện trường gây ra bởi từ trường biến thiên theo thời gian.

Suất điện động E. d. S.

Đại lượng vô hướng đặc trưng cho khả năng của điện trường ngoài và điện trường cảm ứng tạo ra dòng điện bằng tích phân tuyến tính của cường độ điện trường ngoài và điện trường cảm ứng giữa hai điểm dọc theo đường được xem xét hoặc dọc theo mạch kín được xem xét.

Vôn

Một đại lượng vô hướng bằng tích phân tuyến tính của cường độ điện trường tạo thành (tĩnh điện, tĩnh, ngoài, cảm ứng) giữa hai điểm dọc theo đường được xem xét.