Электроемкость. Конденсаторы.

Электроемкость. Введем физиче­скую величину, характеризующую способность двух проводников на­капливать электрический заряд. Эту величину называют электроем­костью.

Напряжение U между двумя про­водниками пропорционально элек­трическим зарядам, которые нахо­дятся на проводниках (на одном + |q|, а на другом — |q|). Действи­тельно, если заряды удвоить, то на­пряженность электрического поля станет в 2 раза больше, следователь­но, в 2 раза увеличится и работа, со­вершаемая полем при перемещении заряда, т. е. в 2 раза увеличится на­пряжение. Поэтому отношение заря­да q одного из проводников (на дру­гом находится такой же по модулю заряд) к разности потенциалов меж­ду этим проводником и соседним не зависит от заряда. Оно определяется геометрическими размерами провод­ников, их формой и взаимным рас­положением, а также электрически­ми свойствами окружающей среды (диэлектрической проницаемостью г). Это позволяет ввести понятие электроемкости двух проводников.

Электроемкостью двух проводни­ков называют отношение заряда одного из проводников к разности потенциалов между этим проводни­ком и соседним:

 

(1)

Чем меньше напряжение U при сообщении проводникам зарядов +|q|и -|q|, тем больше электро­емкость проводников. На проводни­ках можно накопить большие заря­ды, не вызывая пробоя диэлектрика. Но сама электроемкость не зави­сит ни от сообщенных проводникам зарядов, ни от возникающего напря­жения.

Иногда говорят об электроем­кости одного проводника. Это имеет смысл, если проводник является уединенным, т. е. расположен на большом по сравнению с его раз­мерами расстоянии от других про­водников. Так говорят, например, о емкости проводящего шара. При этом подразумевается, что роль дру­гого проводника играют удаленные предметы, расположенные вокруг шара.

Единицы электроемкости. Фор­мула (1) позволяет ввести едини­цу электроемкости.

Электроемкость двух проводни­ков равна единице, если при сооб­щении им зарядов +1 Кл и — 1 Кл между ними возникает разность по­тенциалов 1 В. Эту единицу назы­вают фарад (Ф); 1 Ф —1 Кл/В,

Из-за того что заряд в 1 Кл очень велик, емкость 1 Ф очень ве­лика. Поэтому на практике часто используют доли этой единицы, микрофарад (мкФ) —10 ^-6 Ф и пикофарад (пФ)-10 ^-12 Ф

Важная характеристика про­водников — электроемкость. Электро­емкость проводников тем больше, чем меньше разность потенциалов между ними при сообщении им за­рядов противоположных знаков.

Систему проводников очень боль­шой электроемкости вы можете об­наружить в любом радиоприемнике или купить в магазине. Называется она конденсатором. Сейчас вы узна­ете, как устроены подобные системы и от чего зависит их электроемкость.

Конденсатор. Большой электро­емкостью обладают системы из двух проводников, называемые кон­денсаторами. Конденсатор представ­ляет собой два проводника, разде­ленные слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с раз­мерами проводников. Проводники в этом случае называются обкладками конденсатора.

Простейший плоский конденсатор состоит из двух одинаковых парал­лельных пластин, находящихся на малом расстоянии друг от друга (рис. 1). Если заряды пластин одинаковы по модулю и противо­положны по знаку, то силовые линии электрического поля начинаются на положительно заряженной обкладке конденсатора и оканчиваются на от­рицательно заряженной. Поэтому почти все электрическое по­ле сосредоточено внутри конден­сатора.

У сферического конденсатора, со­стоящего из двух концентрических сфер, все поле сосредоточено между ними.

Для зарядки конденсатора нужно присоединить его обкладки к полю­сам источника напряжения, напри­мер к полюсам батареи аккумуля­торов. Можно также соединить одну обкладку с полюсом батареи, у которой другой полюс заземлен, а вто­рую обкладку конденсатора зазем­лить. Тогда на заземленной об­кладке останется заряд, противопо­ложный по знаку и равный по мо­дулю заряду другой обкладки. Такой же по модулю заряд уйдет в землю.

Под зарядом конденсатора пони­мают абсолютное значение заряда одной из обкладок.

Электроемкость конденсатора определяется формулой.

Электрические поля окружающих тел почти не проникают внутрь кон­денсатора и не влияют на разность потенциалов между его обкладками. Поэтому электроемкость конденса­тора практически не зависит от на­личия вблизи него каких-либо дру­гих тел.

 

Электрический ток.

Электри́ческий ток — направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц — носителей электрического заряда.

Такими частицами могут являться: в металлах — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах — ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях — электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость). Иногда электрическим током называют также ток смещения, возникающий в результате изменения во времени электрического поля.

Электрический ток имеет следующие проявления:

· нагревание проводников (не происходит в сверхпроводниках);

· изменение химического состава проводников (наблюдается преимущественно в электролитах);

· создание магнитного поля (проявляется у всех без исключения проводников).

Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрический ток проводимости. Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называют конвекционным.

Различают постоянный и переменный электрические токи, а также всевозможные разновидности переменного тока. В таких понятиях часто слово «электрический» опускают.

· Постоянный ток — ток, направление и величина которого не меняются во времени.

· Переменный ток — электрический ток, изменяющийся во времени. Под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным.

· Периодический ток — электрический ток, мгновенные значения которого повторяются через равные интервалы времени в неизменной последовательности.

· Синусоидальный ток — периодический электрический ток, являющийся синусоидальной функцией времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.

· Квазистационарный ток — «относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов» (БСЭ). Этими законами являются закон Ома, правила Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, так же как и постоянный ток, имеет одинаковую силу тока во всех сечениях неразветвлённой цепи. При расчёте цепей квазистационарного тока из-за возникающей э.д.с. индукции ёмкости и индуктивности учитываются как сосредоточенные параметры. Квазистационарными являются обычные промышленные токи, кроме токов в линиях дальних передач, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется.

· Ток высокой частоты — переменный ток, (начиная с частоты приблизительно в десятки кГц), для которого становятся значимыми такие явления, как излучение электромагнитных волн и скин-эффект. Кроме того, если длина волны переменного тока становится сравнимой с размерами элементов электрической цепи, то нарушается условие квазистационарности, что требует особых подходов к расчёту и проектированию таких цепей (см. Длинная линия).

· Пульсирующий ток — это периодический электрический ток, среднее значение которого за период отлично от нуля^[5].

· Однонаправленный ток — это электрический ток, не изменяющий своего направления.

Сила и плотность тока

Электрический ток имеет количественные характеристики: скалярную — силу тока, и векторную — плотность тока.

Сила тока — физическая величина, равная отношению количества заряда {\displaystyle \Delta Q}, прошедшего за некоторое время {\displaystyle \Delta t} через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени.

Сила тока в Международной системе единиц (СИ) измеряется в амперах (русское обозначение: А). По закону Ома сила тока {\displaystyle I} на участке цепи прямо пропорциональна напряжению{\displaystyle U}, приложенному к этому участку цепи, и обратно пропорциональна его сопротивлению. {\displaystyle R}.

Если на участке цепи электрический ток не постоянный, то напряжение и сила тока постоянно изменяется, при этом у обычного переменного тока средние значения напряжения и силы тока равны нулю. Однако средняя мощность выделяемого при этом тепла нулю не равна. Поэтому применяют следующие понятия:

· мгновенные напряжение и сила тока, то есть действующие в данный момент времени.

· амплитудные напряжение и сила тока, то есть максимальные абсолютные значения

· эффективные (действующие) напряжение и сила тока определяются тепловым действием тока, то есть имеют те же значения, которые они имеют у постоянного тока с таким же тепловым эффектом.^[11]

Плотность тока — вектор, абсолютная величина которого равна отношению силы тока, протекающего через некоторое сечение проводника, перпендикулярное направлению тока, к площади этого сечения, а направление вектора совпадает с направлением движения положительных зарядов, образующих ток.

Согласно закону Ома в дифференциальной форме плотность тока в среде {\displaystyle {\vec {j}}} пропорциональна напряжённости электрического поля {\displaystyle {\vec {E}}} и проводимости среды.