المجال الكهربائي ، الحث الكهروستاتيكي ، السعة والمكثفات

مفهوم المجال الكهربائي

من المعروف أن قوى المجال الكهربائي تعمل في الفضاء حول الشحنات الكهربائية. العديد من التجارب على الأجسام المشحونة تؤكد ذلك تمامًا. الفضاء حول أي جسم مشحون هو مجال كهربائي تعمل فيه القوى الكهربائية.

يسمى اتجاه قوى المجال بخطوط المجال الكهربائي. لذلك ، من المقبول عمومًا أن المجال الكهربائي هو مجموعة من خطوط القوة.

سطور الحقل لها خصائص معينة:

• تترك خطوط القوة دائمًا جسمًا موجب الشحنة وتدخل جسمًا سالب الشحنة ؛

• يخرجون في جميع الاتجاهات عموديًا على سطح الجسم المشحون ويدخلونه بشكل عمودي ؛

• يبدو أن خطوط القوة لجسمين مشحونين بشكل متساوٍ يتنافران ، بينما تتجاذب الأجسام المشحونة بشكل معاكس.

تكون خطوط القوة في المجال الكهربائي مفتوحة دائمًا عندما تنكسر على سطح الأجسام المشحونة.تتفاعل الأجسام المشحونة كهربائيًا: تتجاذب الشحنة المعاكسة وتتنافر بالمثل.

تتفاعل الأجسام (الجسيمات) المشحونة كهربائيًا بشحنات q1 و q2 مع بعضها البعض بقوة F ، وهي كمية متجهة وتُقاس بالنيوتن (N). تجذب الأجسام ذات الرسوم المتعاكسة بعضها البعض وتتنافر الشحنات المتشابهة.

تعتمد قوة الجذب أو التنافر على حجم الشحنات على الأجسام وعلى المسافة بينهما.

تسمى الأجسام المشحونة بالنقطة إذا كانت أبعادها الخطية صغيرة مقارنة بالمسافة ص بين الأجسام. يعتمد حجم قوة تفاعلهم F على حجم الشحنات q1 و q2 ، والمسافة r بينهما والبيئة التي توجد فيها الشحنات الكهربائية.

إذا لم يكن هناك هواء في الفراغ بين الأجسام ، ولكن هناك بعض العوازل الأخرى ، أي غير موصل للكهرباء ، فإن قوة التفاعل بين الأجسام ستنخفض.

تُسمى القيمة التي تميز خصائص العازل الكهربائي وتوضح عدد المرات التي ستزداد فيها قوة التفاعل بين الشحنات إذا تم استبدال العازل بالهواء بالسماحية النسبية لعزل كهربائي معين.

ثابت العزل الكهربائي يساوي: للهواء والغازات - 1 ؛ ليبونيت - 2-4 ؛ للميكا 5-8 ؛ للزيت 2-5 ؛ للورق 2 - 2.5 ؛ للبارافين - 2 - 2.6.

المجال الكهروستاتيكي لجسمين مشحونين: أ - تالا مشحونة بنفس الاسم ، ب - أجسام مشحونة بشكل مختلف

الحث الكهربائي

إذا أعطيت شحنة كهربائية سالبة للجسم A ذي الشكل الكروي ، المعزول عن الأجسام المحيطة ، أي لتكوين فائض من الإلكترونات فيه ، فسيتم توزيع هذه الشحنة بالتساوي على سطح الجسم.هذا لأن الإلكترونات ، التي تتنافر مع بعضها البعض ، تميل إلى الوصول إلى سطح الجسم.

نضع جسمًا غير مشحون B ، معزولًا أيضًا عن الأجسام المحيطة ، في مجال الجسم A. ثم ستظهر الشحنات الكهربائية على سطح الجسم B ، وعلى الجانب المواجه للجسم A ، شحنة معاكسة لشحنة الجسم A ( موجب) ، وعلى الجانب الآخر - شحنة تحمل نفس اسم شحنة الجسم أ (سالبة). وهكذا تظل الشحنات الكهربائية الموزعة على سطح الجسم B أثناء وجوده في مجال الجسم A. إذا تمت إزالة الجسم B من الحقل أو تمت إزالة الجسم A ، فإن الشحنة الكهربائية الموجودة على سطح الجسم B يتم تحييدها. تسمى طريقة الكهربة هذه عن بعد بالحث الكهروستاتيكي أو الكهربة عن طريق التأثير.

ظاهرة الحث الالكتروستاتيكي

من الواضح أن مثل هذه الحالة المكهربة للجسم يتم إجبارها والحفاظ عليها حصريًا من خلال عمل قوى المجال الكهربائي الذي أنشأه الجسم A.

إذا فعلنا الشيء نفسه عندما يكون الجسم أ موجب الشحنة ، فإن الإلكترونات الحرة من يد الشخص سوف تندفع إلى الجسم ب ، وتحييد شحنتها الموجبة ، وسوف يتم شحن الجسم ب سالبًا.

كلما زادت درجة كهربة الجسم أ ، أي كلما زادت إمكاناته ، يمكن كهربة الجهد الأكبر عن طريق جسم الحث الكهروستاتيكي ب.

وهكذا توصلنا إلى استنتاج مفاده أن ظاهرة الحث الكهروستاتيكي تجعل من الممكن في ظل ظروف معينة أن تتراكم كهرباء على سطح الأجسام الموصلة.

يمكن تحميل أي شخص إلى حد معين ، أي إلى حد معين ؛ تؤدي الزيادة في الإمكانات إلى ما بعد الحد إلى إخراج الجسم إلى الغلاف الجوي المحيط. تحتاج الهيئات المختلفة إلى كميات مختلفة من الكهرباء لتصل إلى نفس الإمكانات. بمعنى آخر ، تحتوي الأجسام المختلفة على كميات مختلفة من الكهرباء ، أي أن لها سعات كهربائية مختلفة (أو ببساطة سعات).

القدرة الكهربائية هي قدرة الجسم على احتواء كمية معينة من الكهرباء مع زيادة قدرتها إلى قيمة معينة. كلما كبرت مساحة سطح الجسم ، زادت الشحنة الكهربائية التي يمكن أن يحملها الجسم.

إذا كان الجسم على شكل كرة ، فإن سعتها تتناسب طرديًا مع نصف قطر الكرة. يتم قياس السعة بالفاراد.

الفارادا هو قدرة مثل هذا الجسم الذي ، بعد تلقي شحنة كهربائية في قلادة ، يزيد من إمكاناته بمقدار فولت واحد ... 1 فاراد = 1،000،000 ميكروفاراد.

تستخدم القدرة الكهربائية ، أي خاصية الأجسام الموصلة لتراكم الشحنة الكهربائية في حد ذاتها ، على نطاق واسع في الهندسة الكهربائية. الجهاز قائم على هذه الخاصية المكثفات الكهربائية.

سعة المكثف

يتكون المكثف من لوحين معدنيين (لوحين) ، معزولين عن بعضهما بطبقة هوائية أو عازل آخر (ميكا ، ورق ، إلخ).

إذا أعطيت إحدى الصفيحتين شحنة موجبة والأخرى سالبة ، أي شحنتهما بشكل معاكس ، فإن شحنات الألواح ، التي تجتذب بعضها البعض ، ستبقى على الألواح. يسمح هذا بتركيز المزيد من الكهرباء على الألواح مما لو تم شحنها على مسافة من بعضها البعض.

لذلك ، يمكن أن يعمل المكثف كجهاز يخزن كمية كبيرة من الكهرباء في لوحاته. بمعنى آخر ، المكثف هو تخزين للطاقة الكهربائية.

سعة المكثف تساوي:

C = eS / 4pl

أين C هي السعة ؛ ه هو ثابت العزل الكهربائي للعزل ؛ S - مساحة لوحة واحدة في cm2 ، NS - رقم ثابت (pi) يساوي 3.14 ؛ ل - المسافة بين اللوحات في سم.

من هذه الصيغة ، يمكن ملاحظة أنه مع زيادة مساحة الألواح ، تزداد سعة المكثف ، وكلما زادت المسافة بينهما ، تقل.

دعونا نفسر هذه التبعية. كلما كبرت مساحة الألواح ، زادت كمية الكهرباء التي يمكن أن تمتصها ، وبالتالي ستكون سعة المكثف أكبر.

مع انخفاض المسافة بين الألواح ، يزداد التأثير المتبادل (الحث) بين شحناتهما ، مما يجعل من الممكن تركيز المزيد من الكهرباء على الألواح ، وبالتالي زيادة قدرة المكثف.

وبالتالي ، إذا أردنا الحصول على مكثف كبير ، فنحن بحاجة إلى أخذ لوحات ذات مساحة كبيرة وعزلها بطبقة رقيقة عازلة.

توضح الصيغة أيضًا أنه كلما زاد ثابت العزل للعزل الكهربائي ، تزداد سعة المكثف.

لذلك ، فإن المكثفات التي لها نفس الأبعاد الهندسية ولكنها تحتوي على عوازل مختلفة لها سعات مختلفة.

على سبيل المثال ، إذا أخذنا مكثفًا به عازل هوائي له ثابت عازل كهربائي يساوي الوحدة ، ووضعنا الميكا مع ثابت عازل قدره 5 بين لوحاته ، فإن سعة المكثف ستزداد بمقدار 5 مرات.

لذلك ، يتم استخدام مواد مثل الميكا والورق المشرب بالبارافين وما إلى ذلك ، والتي يكون ثابتها العازل أعلى بكثير من الهواء ، كعوازل كهربائية للحصول على سعة كبيرة.

وفقًا لذلك ، يتم تمييز الأنواع التالية من المكثفات: الهواء ، والعازل الصلب ، والعازل الكهربائي السائل.

شحن وتفريغ المكثف. تيار التحيز

دعونا نقوم بتضمين مكثف ذو سعة ثابتة في الدائرة. من خلال وضع المفتاح عند التلامس أ ، سيتم تضمين المكثف في دائرة البطارية. إن إبرة المليمتر في اللحظة التي يكون فيها المكثف متصلاً بالدائرة سوف تنحرف ثم تصبح صفرًا.

مكثف DC

لذلك ، يمر تيار كهربائي عبر الدائرة في اتجاه معين. إذا تم وضع المفتاح الآن على جهة الاتصال b (على سبيل المثال ، أغلق اللوحات) ، فإن إبرة الملليمتر ستنحرف في الاتجاه الآخر وتعود إلى الصفر. لذلك ، يمر تيار أيضًا عبر الدائرة ، ولكن في اتجاه مختلف. دعونا نحلل هذه الظاهرة.

عندما تم توصيل المكثف بالبطارية ، تم شحنه ، أي أن لوحاته تلقت شحنة موجبة والأخرى سالبة. تستمر الفواتير حتى التباينات المحتملة بين لوحات المكثف لا يساوي جهد البطارية. يشير الملليمتر المتصل على التوالي في الدائرة إلى تيار الشحن للمكثف ، والذي يتوقف فور شحن المكثف.

عند فصل المكثف عن البطارية ، ظل مشحونًا ، وكان فرق الجهد بين لوحاته مساويًا لجهد البطارية.

ومع ذلك ، بمجرد إغلاق المكثف ، بدأ في التفريغ وتمر تيار التفريغ عبر الدائرة ، ولكن بالفعل في الاتجاه المعاكس لتيار الشحن. يستمر هذا حتى يختفي فرق الجهد بين الألواح ، أي حتى يتم تفريغ المكثف.

لذلك ، إذا تم تضمين المكثف في دائرة التيار المستمر ، فإن التيار سوف يتدفق في الدائرة فقط في وقت شحن المكثف ، وفي المستقبل لن يكون هناك تيار في الدائرة ، لأن الدائرة سوف تنكسر بواسطة العازل من المكثف.

لهذا يقولون إن "المكثف لا يمر بالتيار المباشر".

ترتبط كمية الكهرباء (Q) التي يمكن تركيزها على ألواح المكثف وسعته (C) وقيمة الجهد الموفر للمكثف (U) بالعلاقة التالية: Q = CU.

توضح هذه الصيغة أنه كلما زادت سعة المكثف ، يمكن تركيز المزيد من الكهرباء عليه دون زيادة الجهد على ألواحه بشكل كبير.

تؤدي زيادة جهد السعة DC أيضًا إلى زيادة كمية الكهرباء المخزنة بواسطة المكثف. ومع ذلك ، إذا تم تطبيق جهد كبير على ألواح المكثف ، فيمكن عندئذٍ "كسر" المكثف ، أي تحت تأثير هذا الجهد ، سينهار العازل في مكان ما ويترك التيار يمر عبره. في هذه الحالة ، سيتوقف المكثف عن العمل. لتجنب تلف المكثفات ، فإنها تشير إلى قيمة جهد التشغيل المسموح به.

ظاهرة الاستقطاب العازل

دعونا الآن نحلل ما يحدث في العازل عند شحن المكثف وتفريغه ولماذا تعتمد قيمة السعة على ثابت العزل؟

تعطينا الإجابة على هذا السؤال النظرية الإلكترونية لبنية المادة.

في العازل ، كما هو الحال في أي عازل ، لا توجد إلكترونات حرة. في ذرات العازل الكهربائي ، ترتبط الإلكترونات بإحكام بالنواة ، وبالتالي فإن الجهد المطبق على ألواح المكثف لا يسبب حركة اتجاهية للإلكترونات في عازلها ، أي التيار الكهربائي كما في حالة الأسلاك.

ومع ذلك ، تحت تأثير قوى المجال الكهربائي الناتجة عن الصفائح المشحونة ، يتم إزاحة الإلكترونات التي تدور حول النواة الذرية نحو لوحة المكثف موجبة الشحنة. في الوقت نفسه ، يتم شد الذرة في اتجاه خطوط المجال ، وتسمى هذه الحالة من الذرات العازلة بالاستقطاب ، وتسمى الظاهرة نفسها الاستقطاب العازل.

عندما يتم تفريغ المكثف ، تنكسر حالة الاستقطاب للعزل الكهربائي ، أي أن إزاحة الإلكترونات بالنسبة للنواة الناتجة عن الاستقطاب تختفي وتعود الذرات إلى حالتها المعتادة غير المستقطبة. وجد أن وجود العازل يضعف المجال بين ألواح المكثف.

تستقطب العوازل المختلفة تحت تأثير نفس المجال الكهربائي بدرجات مختلفة. كلما زادت سهولة استقطاب العازل الكهربائي ، زاد ضعف المجال. ينتج عن استقطاب الهواء ، على سبيل المثال ، إضعاف مجال أقل من استقطاب أي عازل آخر.

لكن ضعف المجال بين ألواح المكثف يسمح لك بالتركيز عليها قدرًا أكبر من الكهرباء Q عند نفس الجهد U ، مما يؤدي بدوره إلى زيادة سعة المكثف ، حيث C = Q / U .

لذلك توصلنا إلى الاستنتاج - كلما زاد ثابت العزل الكهربائي للعزل ، زادت سعة المكثف الذي يحتوي على هذا العازل في تركيبته.

إن إزاحة الإلكترونات في ذرات العازل ، والتي تحدث ، كما قلنا بالفعل ، تحت تأثير قوى المجال الكهربائي ، تتشكل في العازل ، في اللحظة الأولى من عمل المجال ، كهربائي التيار. يسمى تيار الانحراف ... وقد سمي بهذا الاسم لأنه على عكس تيار التوصيل في الأسلاك المعدنية ، يتولد تيار الإزاحة فقط عن طريق إزاحة الإلكترونات التي تتحرك في ذراتها.

يؤدي وجود تيار التحيز هذا إلى أن يصبح المكثف المتصل بمصدر التيار المتردد موصلًا له.

راجع أيضًا حول هذا الموضوع: المجال الكهربائي والمغناطيسي: ما الفرق؟

الخصائص الرئيسية للمجال الكهربائي والخصائص الكهربائية الرئيسية للوسيط (المصطلحات والتعاريف الأساسية)

شدة المجال الكهربائي

كمية متجهية تميز تأثير قوة مجال كهربائي على أجسام وجسيمات مشحونة كهربائيًا ، تساوي حد نسبة القوة التي يعمل بها المجال الكهربائي على جسم ثابت مشحون بنقطة يتم إدخاله في النقطة المعتبرة من المجال إلى شحنة هذا الجسم عندما تميل هذه الشحنة إلى الصفر والتي يُفترض أن يتزامن اتجاهها مع اتجاه القوة المؤثرة على جسم نقطي موجب الشحنة.

خط مجال كهربائي

خط في أي نقطة يتطابق ظلها مع اتجاه متجه شدة المجال الكهربائي.

الاستقطاب الكهربائي

تتميز حالة المادة بحقيقة أن اللحظة الكهربائية لحجم معين من تلك المادة لها قيمة أخرى غير الصفر.

التوصيل الكهربائي

خاصية المادة لإجراء ، تحت تأثير مجال كهربائي لا يتغير بمرور الوقت ، تيارًا كهربائيًا لا يتغير بمرور الوقت.

عازل

مادة تتمثل خاصيتها الكهربائية الرئيسية في القدرة على الاستقطاب في مجال كهربائي والتي يكون فيها وجود مجال إلكتروستاتيكي على المدى الطويل ممكنًا.

مادة موصلة

مادة لها خاصية التوصيل الكهربائي الرئيسية هي التوصيل الكهربائي.

مخرج

الجسم موصل.

مادة أشباه الموصلات (أشباه الموصلات)

مادة يكون توصيلها الكهربائي وسيطًا بين مادة موصلة وعازل كهربائي ، وتتمثل خصائصها المميزة في: اعتماد التوصيل الكهربائي الواضح على درجة الحرارة ؛ التغيير في الموصلية الكهربائية عند تعرضها لمجال كهربائي وضوء وعوامل خارجية أخرى ؛ اعتمادًا كبيرًا على الموصلية الكهربائية على كمية وطبيعة الشوائب المدخلة ، مما يجعل من الممكن تضخيم التيار الكهربائي وتصحيحه ، وكذلك تحويل بعض أنواع الطاقة إلى كهرباء.

الاستقطاب (شدة الاستقطاب)

كمية متجهة تميز درجة الاستقطاب الكهربائي للعزل الكهربائي ، تساوي حد نسبة العزم الكهربائي لحجم معين من العازل إلى هذا الحجم عندما يميل الأخير إلى الصفر.

ثابت كهربائي

كمية عددية تميز المجال الكهربائي في تجويف ، تساوي نسبة الشحنة الكهربائية الكلية الموجودة في سطح مغلق معين إلى تدفق متجه شدة المجال الكهربائي عبر هذا السطح في الفراغ.

القابلية المطلقة للعزل الكهربائي

كمية قياسية تميز خاصية العازل المراد استقطابه في كتلة كهربائية ، مساوية لنسبة حجم الاستقطاب إلى حجم شدة المجال الكهربائي.

حساسية عازلة

نسبة القابلية المطلقة للعزل الكهربائي عند النقطة المعتبرة للعزل الكهربائي إلى الثابت الكهربائي.

الإزاحة الكهربائية

كمية متجهية تساوي المجموع الهندسي لشدة المجال الكهربائي عند النقطة قيد النظر مضروبة في الثابت الكهربائي والاستقطاب عند نفس النقطة.

ثابت العزل المطلق

كمية قياسية تميز الخصائص الكهربائية لعزل كهربائي وتساوي نسبة حجم الإزاحة الكهربائية إلى مقدار جهد المجال الكهربائي.

ثابت العزل

نسبة ثابت العزل المطلق عند النقطة المعتبرة للعزل الكهربائي إلى الثابت الكهربائي.

خط كهرباء الإزاحة

خط عند كل نقطة يتطابق فيه المماس مع اتجاه متجه الإزاحة الكهربائية.

الحث الكهربائي

ظاهرة تحريض الشحنات الكهربائية على جسم موصل تحت تأثير مجال إلكتروستاتيكي خارجي.

المجال الكهربائي الثابت

المجال الكهربائي للتيارات الكهربائية التي لا تتغير بمرور الوقت بشرط أن تكون الموصلات الحاملة للتيار ثابتة.

المجال الكهربائي المحتمل

مجال كهربائي يكون فيه الجزء المتحرك لمتجه شدة المجال الكهربائي مساويًا للصفر في كل مكان.

المجال الكهربائي إيدي

مجال كهربائي لا يكون فيه الجزء المتحرك لمتجه الشدة مساويًا للصفر دائمًا.

الفرق في الجهد الكهربائي عند نقطتين

كمية قياسية تميز مجالًا كهربائيًا محتملاً ، تساوي حد نسبة عمل قوى هذا المجال ، عندما يتم نقل جسم نقطي موجب الشحنة من نقطة معينة في المجال إلى أخرى ، إلى شحنة هذا الجسم ، عندما تميل شحنة الجسم إلى الصفر (وإلا: تساوي الخط المتكامل لشدة المجال الكهربائي من نقطة معينة إلى أخرى).

الجهد الكهربي عند نقطة معينة

الفرق بين الإمكانات الكهربائية لنقطة معينة ونقطة أخرى محددة ولكن تم اختيارها عشوائيًا.

السعة الكهربائية لموصل واحد

كمية قياسية تميز قدرة الموصل على تجميع الشحنة الكهربائية ، مساوية لنسبة شحنة الموصل إلى إمكاناته ، بافتراض أن جميع الموصلات الأخرى بعيدة بشكل لا نهائي وأن إمكانات النقطة البعيدة بشكل لا نهائي يُفترض أن تكون صفرًا.

السعة الكهربائية بين موصلين منفصلين

قيمة قياسية تساوي القيمة المطلقة لنسبة الشحنة الكهربائية على موصل واحد إلى الفرق في الجهد الكهربائي لموصلين ، بشرط أن يكون لهذه الموصلات نفس الحجم ولكن معاكسة في الإشارة وأن تكون جميع الموصلات الأخرى بعيدة بشكل غير محدود.

مكثف

نظام من موصلين (لوحين) مفصولين بواسطة عازل مصمم لاستخدام السعة بين الموصلين.

سعة المكثف

القيمة المطلقة لنسبة الشحنة الكهربائية على إحدى لوحات المكثف إلى فرق الجهد بينهما ، بشرط أن يكون للصفائح شحنة بنفس المقدار ومعاكسة في الإشارة.

السعة بين موصلين في نظام سلكي (السعة الجزئية)

القيمة المطلقة لنسبة الشحنة الكهربائية لأحد الموصلات المدرجة في نظام الموصلات إلى فرق الجهد بينها وبين موصل آخر ، إذا كانت جميع الموصلات ، باستثناء الأخير ، لها نفس الإمكانات ؛ إذا تم تضمين الأرض في نظام الأسلاك المدروس ، فسيتم اعتبار إمكاناته على أنها صفر.

المجال الكهربائي لطرف ثالث

المجال الناجم عن العمليات الحرارية والتفاعلات الكيميائية وظواهر التلامس والقوى الميكانيكية وغيرها من العمليات غير الكهرومغناطيسية (في الفحص العياني) ؛ تتميز بتأثير قوي على الجسيمات المشحونة والأجسام الموجودة في المنطقة التي يوجد بها هذا المجال.

المجال الكهربائي المستحث

مجال كهربائي ناتج عن المجال المغناطيسي المتغير بمرور الوقت.

القوة الدافعة الكهربائية E. d. S.

كمية عددية تميز قدرة المجال الكهربائي الخارجي والمستحث على إحداث تيار كهربائي يساوي التكامل الخطي لقوة المجالات الكهربائية الخارجية والمستحثة بين نقطتين على طول المسار المدروس أو على طول الدائرة المغلقة المعتبرة.

الجهد االكهربى

كمية قياسية تساوي التكامل الخطي لقوة المجال الكهربائي الناتج (إلكتروستاتيكي ، ثابت ، خارجي ، حثي) بين نقطتين على طول المسار المدروس.