전기장, 정전기 유도, 정전 용량 및 축전기

전기장 개념

전계력은 전하 주변 공간에서 작용하는 것으로 알려져 있습니다. 하전체에 대한 수많은 실험이 이를 완전히 확인합니다. 대전체 주변의 공간은 전기력이 작용하는 전기장입니다.

전기력의 방향을 전기력선이라고 합니다. 따라서 전기장은 힘선의 집합이라고 일반적으로 인정됩니다.

필드 라인에는 다음과 같은 특정 속성이 있습니다.

• 힘선은 항상 양전하를 띤 물체를 떠나 음전하를 띤 물체로 들어갑니다.

• 그들은 하전된 물체의 표면에 수직인 모든 방향으로 나가 수직으로 들어갑니다.

• 전하가 같은 두 물체의 힘선은 서로 밀어내는 것처럼 보이고 반대 전하를 띤 물체는 끌어당깁니다.

전기력선은 대전된 물체의 표면에서 끊어질 때 항상 열려 있습니다.전하를 띤 물체는 상호 작용합니다. 반대 전하를 띤 물체는 끌어당기고 유사하게 밀어냅니다.

전하 q1 및 q2를 가진 전하를 띤 물체(입자)는 벡터량이며 뉴턴(N) 단위로 측정되는 힘 F로 서로 상호 작용합니다. 반대 전하를 가진 물체는 서로 끌어당기고 비슷한 전하를 가진 물체는 서로 밀어낸다.

인력 또는 반발력은 물체의 전하 크기와 물체 사이의 거리에 따라 달라집니다.

충전된 물체의 선형 치수가 물체 사이의 거리 r에 비해 작은 경우 점이라고 합니다. 상호 작용력 F의 크기는 전하 q1 및 q2의 크기, 전하 사이의 거리 r 및 전하가 위치한 환경에 따라 달라집니다.

몸체 사이의 공간에 공기가 없지만 다른 유전체, 즉 비전도체 인 경우 몸체 간의 상호 작용력이 감소합니다.

유전체의 특성을 특성화하고 주어진 유전체가 공기로 대체되면 전하 간의 상호 작용력이 몇 배로 증가하는지 보여주는 값을 주어진 유전체의 비유전율이라고 합니다.

유전 상수는 다음과 같습니다. 공기 및 가스의 경우 — 1; 에보나이트의 경우 — 2 — 4; 운모 5 – 8의 경우; 오일 2 - 5의 경우; 종이 2 — 2.5; 파라핀의 경우 — 2 — 2.6.

두 대전체의 정전기장: a — 탈라가 같은 이름으로 대전됨, b — 신체가 다르게 대전됨

정전기 유도

주변 물체와 격리된 구형의 전도체 A에 음전하가 부여되면 즉, 과도한 전자를 생성하면 이 전하가 물체 표면에 고르게 분포됩니다.서로 반발하는 전자들이 몸의 표면으로 오는 경향이 있기 때문이다.

마찬가지로 주변 물체와 격리된 전하를 띠지 않는 물체 B를 물체 A의 필드에 배치합니다. 그러면 물체 B의 표면에 전하가 나타나고 물체 A를 향한 면에는 물체 A의 전하와 반대되는 전하가 나타납니다( 양수 ), 다른쪽에는 신체 A의 전하와 같은 이름의 전하 (음수). 이렇게 분포된 전하는 물체 A의 필드에 있는 동안 물체 B의 표면에 남아 있습니다. 물체 B가 필드에서 제거되거나 물체 A가 제거되면 물체 B 표면의 전하는 중화됩니다. 이러한 원거리 대전 방법을 정전기 유도 또는 영향에 의한 대전이라고 합니다.

정전기 유도 현상

신체의 이러한 대전 상태는 신체 A에 의해 생성된 전기장의 힘의 작용에 의해서만 강제되고 유지된다는 것은 명백합니다.

몸 A가 양전하일 때 같은 일을 하면 사람의 손에서 나온 자유 전자가 몸 B로 달려가 양전하를 중화하고 몸 B는 음전하를 띤다.

몸체 A의 대전 정도가 높을수록, 즉 전위가 클수록 정전기 유도 몸체 B를 통해 더 큰 전위를 대전시킬 수 있습니다.

따라서 우리는 정전기 유도 현상이 특정 조건에서 축적을 가능하게 한다는 결론에 도달했습니다. 전기 전도성 몸체의 표면에.

모든 신체는 특정 한계, 즉 특정 잠재력으로 충전될 수 있습니다. 한계를 넘어 포텐셜이 증가하면 신체가 주변 대기로 분출됩니다. 서로 다른 신체는 동일한 잠재력을 발휘하기 위해 서로 다른 양의 전기가 필요합니다. 즉, 서로 다른 신체는 서로 다른 양의 전기를 포함합니다. 즉, 서로 다른 전기 용량(또는 간단히 용량)을 가집니다.

전기 용량은 특정 값으로 잠재력을 증가시키면서 특정 양의 전기를 포함하는 신체의 능력입니다. 신체의 표면적이 클수록 신체가 보유할 수 있는 전하량이 많아집니다.

몸체가 공 모양이면 용량은 공의 반지름에 정비례합니다. 커패시턴스는 패럿 단위로 측정됩니다.

패러다는 펜던트에서 전하를 받은 후 전위를 1볼트 증가시키는 신체의 용량입니다. 1패럿 = 1,000,000마이크로패럿입니다.

전기 용량, 즉 전도성 몸체가 자체적으로 전하를 축적하는 특성은 전기 공학에서 널리 사용됩니다. 장치는 이 속성을 기반으로 합니다. 전기 커패시터.

커패시터의 커패시턴스

커패시터는 공기층 또는 다른 유전체(운모, 종이 등)로 서로 격리된 두 개의 금속판(플레이트)으로 구성됩니다.

판 중 하나에 양전하가 주어지고 다른 하나가 음전하, 즉 반대로 전하되면 서로 끌어 당기는 판의 전하가 판에 유지됩니다. 이를 통해 플레이트가 서로 떨어져서 충전되는 경우보다 훨씬 더 많은 전기가 플레이트에 집중될 수 있습니다.

따라서 커패시터는 플레이트에 상당한 양의 전기를 저장하는 장치 역할을 할 수 있습니다. 즉, 커패시터는 전기 에너지의 저장소입니다.

커패시터의 커패시턴스는 다음과 같습니다.

C = eS / 4pl

여기서 C는 커패시턴스입니다. e는 유전체의 유전 상수입니다. S — 한 판의 면적(cm2), NS — 3.14와 같은 상수(pi); l - 플레이트 사이의 거리(cm).

이 공식에서 플레이트의 면적이 증가함에 따라 커패시터의 용량이 증가하고 플레이트 사이의 거리가 증가함에 따라 감소한다는 것을 알 수 있습니다.

이 종속성을 설명하겠습니다. 플레이트의 면적이 클수록 더 많은 전기를 흡수할 수 있으므로 커패시터의 용량이 커집니다.

플레이트 사이의 거리가 감소함에 따라 전하 사이의 상호 영향(유도)이 증가하여 플레이트에 더 많은 전기를 집중시켜 커패시터의 용량을 증가시킬 수 있습니다.

따라서 큰 축전기를 얻으려면 넓은 면적의 판을 얇은 유전체 층으로 절연해야 합니다.

공식은 또한 유전체의 유전 상수가 증가함에 따라 커패시터의 커패시턴스가 증가한다는 것을 보여줍니다.

따라서 기하학적 치수는 같지만 유전체가 다른 커패시터는 정전 용량이 다릅니다.

예를 들어 유전율이 1인 공기 유전체가 있는 커패시터를 가져오고 플레이트 사이에 유전율이 5인 운모를 넣으면 커패시터의 커패시턴스가 5배 증가합니다.

따라서 대용량을 얻기 위해 공기보다 유전율이 훨씬 높은 운모, 파라핀이 함침된 종이 등의 재료를 유전체로 사용한다.

따라서 공기, 고체 유전체 및 액체 유전체와 같은 유형의 커패시터가 구별됩니다.

커패시터 충전 및 방전. 바이어스 전류

회로에 일정한 커패시턴스를 갖는 커패시터를 포함시키자. 접점 a에 스위치를 놓으면 커패시터가 배터리 회로에 포함됩니다. 커패시터가 회로에 연결되는 순간 밀리 암미터의 바늘이 벗어나서 0이됩니다.

DC 커패시터

따라서 전류는 특정 방향으로 회로를 통과했습니다. 이제 스위치가 접점 b에 있으면(즉, 플레이트를 닫음) 밀리암미터 바늘이 다른 방향으로 편향되어 0으로 돌아갑니다. 따라서 전류도 회로를 통과하지만 다른 방향으로 흐릅니다. 이 현상을 분석해 봅시다.

커패시터가 배터리에 연결되었을 때 충전되었습니다. 즉, 그 플레이트는 하나의 양전하와 다른 음전하를 받았습니다. 결제는 다음까지 계속됩니다. 전위차 커패시터 플레이트 사이는 배터리 전압과 같지 않습니다. 회로에 직렬로 연결된 밀리암미터는 커패시터의 충전 전류를 나타내며 커패시터가 충전된 직후에 멈춥니다.

커패시터가 배터리에서 분리되면 충전 상태를 유지하고 플레이트 사이의 전위차는 배터리 전압과 같습니다.

그러나 커패시터가 닫히자 마자 방전되기 시작했고 방전 전류가 회로를 통과했지만 이미 충전 전류와 반대 방향으로 흐르고 있습니다. 이것은 플레이트 사이의 전위차가 사라질 때까지, 즉 커패시터가 방전될 때까지 계속됩니다.

따라서 DC 회로에 커패시터가 포함되어 있으면 커패시터를 충전할 때만 전류가 회로에 흐르고 미래에는 유전체에 의해 회로가 끊어지기 때문에 회로에 전류가 흐르지 않게 됩니다. 커패시터의.

그래서 "콘덴서에는 직류가 통하지 않는다"라는 말이 있습니다.

커패시터 플레이트에 집중될 수 있는 전기량(Q), 용량(C) 및 커패시터(U)에 공급되는 전압 값은 다음 관계로 관련됩니다. Q = CU.

이 공식은 커패시터의 용량이 클수록 플레이트의 전압을 크게 높이지 않고도 더 많은 전기를 커패시터에 집중시킬 수 있음을 보여줍니다.

DC 커패시턴스 전압을 높이면 커패시터에 저장된 전기량도 증가합니다. 그러나 커패시터 플레이트에 큰 전압이 가해지면 커패시터가 "파손"될 수 있습니다. 즉,이 전압의 작용으로 유전체가 어떤 곳에서 붕괴되어 전류가 통과하게됩니다. 이 경우 커패시터는 작동을 멈춥니다. 커패시터 손상을 방지하기 위해 허용 작동 전압 값을 나타냅니다.

유전체 분극 현상

이제 커패시터가 충전 및 방전될 때 유전체에서 어떤 일이 발생하는지, 그리고 커패시턴스 값이 유전 상수에 따라 달라지는 이유를 분석해 보겠습니다.

이 질문에 대한 답은 우리에게 물질 구조의 전자 이론을 제공합니다.

절연체와 마찬가지로 유전체에는 자유 전자가 없습니다. 유전체의 원자에서 전자는 코어에 단단히 결합되어 있으므로 커패시터 플레이트에 가해지는 전압은 유전체에서 전자의 방향성 이동을 일으키지 않습니다. 전선의 경우와 마찬가지로 전류.

그러나 하전된 판에 의해 생성된 전계력의 작용으로 원자핵 주위를 도는 전자는 양전하를 띤 축전기판 쪽으로 이동합니다. 동시에 원자는 자기력선 방향으로 늘어납니다.이 유전체 원자의 상태를 분극화라고하며 현상 자체를 유전 분극화라고합니다.

커패시터가 방전되면 유전체의 분극 상태가 깨집니다. 즉, 분극으로 인한 핵에 대한 전자의 변위가 사라지고 원자가 일반적인 무분극 상태로 돌아갑니다. 유전체의 존재가 축전기 판 사이의 자기장을 약화시키는 것으로 밝혀졌습니다.

동일한 전기장의 작용 하에서 다른 유전체는 다른 정도로 분극화됩니다. 유전체가 더 쉽게 분극화될수록 자기장이 더 약해집니다. 예를 들어, 공기의 분극은 다른 유전체의 분극보다 약계자 약화가 적습니다.

그러나 커패시터 플레이트 사이의 필드가 약해지면 동일한 전압 U에서 더 많은 양의 전기 Q에 집중할 수 있으므로 C = Q / U이므로 커패시터의 용량이 증가합니다. .

그래서 우리는 결론에 도달했습니다. 유전체의 유전 상수가 클수록 구성에 이 유전체를 포함하는 커패시터의 용량이 커집니다.

우리가 이미 말했듯이 전기장의 힘의 작용에 따라 발생하는 유전체 원자의 전자 변위는 전기장의 작용의 첫 번째 순간에 유전체에 형성됩니다. 전류 편향 전류... 금속 와이어의 전도 전류와 달리 변위 전류는 원자에서 이동하는 전자의 변위에 의해서만 생성되기 때문에 이름이 지정되었습니다.

이 바이어스 전류의 존재로 인해 AC 전원에 연결된 커패시터가 도체가 됩니다.

이 주제에 대해서도 다음을 참조하십시오. 전기장과 자기장: 차이점은 무엇입니까?

전기장의 주요 특성과 매질의 주요 전기적 특성(기본 용어 및 정의)

전계 강도

전하를 띤 물체와 입자에 대한 전계의 힘 작용을 특징짓는 벡터량, 전계가 전계의 고려된 지점에 도입된 고정점 대전체에 작용하는 힘의 비율의 한계와 동일합니다. 이 전하가 0이 되는 경향이 있고 그 방향이 양전하를 띤 점 물체에 작용하는 힘의 방향과 일치한다고 가정할 때 이 물체의 전하.

전기력선

접선이 전계 강도 벡터의 방향과 일치하는 임의의 점에 있는 선.

전기 분극

물질의 주어진 부피의 전기 모멘트가 0이 아닌 값을 갖는다는 사실을 특징으로 하는 물질의 상태.

전기 전도성

시간에 따라 변하지 않는 전기장의 영향 하에서 시간에 따라 변하지 않는 전류를 전도하는 물질의 특성.

유전체

주요 전기적 특성이 전기장에서 분극화하는 능력이고 정전기장의 장기간 존재가 가능한 물질.

전도성 물질

주요 전기적 특성이 전기 전도도인 물질.

감독

전도성 몸체.

반도체 물질(반도체)

전기 전도도가 전도성 물질과 유전체 사이의 중간이고 다음과 같은 특징이 있는 물질: 온도에 대한 전기 전도도의 현저한 의존성; 전기장, 빛 및 기타 외부 요인에 노출되었을 때 전기 전도성의 변화; 도입된 불순물의 양과 특성에 대한 전기 전도도의 상당한 의존성으로 인해 전류를 증폭 및 수정하고 일부 유형의 에너지를 전기로 변환할 수 있습니다.

편광(편광강도)

유전체의 전기 분극 정도를 특징짓는 벡터 양으로, 특정 부피의 유전체가 0이 되는 경향이 있을 때 이 부피에 대한 유전체의 전기 모멘트 비율의 한계와 같습니다.

전기 상수

빈 공간에서 이 표면을 통과하는 전계 강도 벡터의 흐름에 대한 특정 닫힌 표면에 포함된 총 전하의 비율과 동일한 공동 내 전계를 특징짓는 스칼라 양.

절대 유전체 감수성

전계 강도의 크기에 대한 분극의 크기의 비율과 동일한 전기 질량에서 분극되는 유전체의 특성을 특징짓는 스칼라 양.

유전체 감도

전기 상수에 대한 유전체의 고려된 지점에서의 절대 유전 자화율의 비율.

전기 변위

동일한 지점에서 전기 상수와 분극을 곱한 고려 중인 지점에서의 전계 강도의 기하학적 합과 같은 벡터량.

절대 유전 상수

유전체의 전기적 특성을 특징짓는 스칼라 수량으로 전기장 전압의 크기에 대한 전기 변위의 크기 비율과 동일합니다.

유전 상수

전기 상수에 대한 유전체의 고려된 지점에서의 절대 유전 상수의 비율.

변위 전력선

접선이 전기 변위 벡터의 방향과 일치하는 모든 점에서의 선.

정전기 유도

외부 정전기장의 영향으로 전도성 몸체에 전하가 유도되는 현상.

고정 전기장

전류가 흐르는 도체가 고정되어 있는 경우 시간에 따라 변하지 않는 전류의 전기장.

잠재적 전기장

전계 강도 벡터의 회전자가 모든 곳에서 0인 전계.

소용돌이 전기장

강도 벡터의 회전자가 항상 0이 아닌 전기장.

두 지점의 전위차

포텐셜 전기장을 특징짓는 스칼라 양은 양전하를 띤 점 몸체가 필드의 한 지점에서 다른 지점으로 이 몸체의 전하로 전달될 때 이 필드의 힘의 작업 비율의 한계와 동일합니다. , 신체의 전하가 0이 되는 경향이 있을 때(그렇지 않은 경우: 주어진 한 지점에서 다른 지점까지의 전계 강도의 선 적분과 같음).

주어진 지점에서의 전위

주어진 지점과 지정되었지만 임의로 선택된 다른 지점의 전위차.

단일 도체의 전기 용량

다른 모든 도체가 무한히 멀리 떨어져 있고 무한히 먼 지점의 전위가 0이라고 가정할 때 도체의 전하와 전위의 비율과 같은 전하를 축적하는 도체의 능력을 나타내는 스칼라 양입니다.

두 개의 단일 도체 사이의 전기 용량

두 도체의 전위차에 대한 한 도체의 전하 비율의 절대값과 동일한 스칼라 값으로, 두 도체의 크기는 같지만 부호는 반대이고 다른 모든 도체는 무한히 떨어져 있습니다.

콘덴서

두 전도체 사이의 커패시턴스를 사용하도록 설계된 유전체로 분리된 두 전도체(플레이트) 시스템입니다.

커패시터의 커패시턴스

플레이트의 전하가 동일한 크기이고 부호가 반대인 경우 커패시터 플레이트 중 하나의 전하 대 이들 사이의 전위차 비율의 절대 값입니다.

와이어 시스템에서 두 도체 사이의 정전 용량(부분 정전 용량)

후자를 제외한 모든 도체가 동일한 전위를 갖는 경우 도체 시스템에 포함 된 도체 중 하나의 전하와 다른 도체 사이의 전위차의 비율의 절대 값; 고려하는 전선 시스템에 접지가 포함되어 있으면 그 전위는 0으로 간주됩니다.

타사 전기장

열 과정, 화학 반응, 접촉 현상, 기계적 힘 및 기타 비자기적(거시적 검사에서) 과정으로 인해 발생하는 필드 이 필드가 존재하는 영역에 위치한 하전 입자 및 물체에 강한 영향을 미치는 것이 특징입니다.

유도 전기장

시변 자기장에 의해 유도된 전기장.

기전력 E. d. S.

고려된 경로를 따라 또는 고려된 폐쇄 회로를 따라 두 지점 사이에서 외부 및 유도 전기장의 강도의 선형 적분과 동일한 전류를 유도하는 외부 및 유도 전기장의 능력을 특성화하는 스칼라량.

전압

고려된 경로를 따라 두 지점 사이에서 발생하는 전기장(정전기, 고정, 외부, 유도) 강도의 선형 적분과 같은 스칼라 양.