Campo eléctrico, inducción electrostática, capacitancia y capacitores

Concepto de campo eléctrico

Se sabe que las fuerzas del campo eléctrico actúan en el espacio alrededor de las cargas eléctricas. Numerosos experimentos en cuerpos cargados lo confirman completamente. El espacio alrededor de cualquier cuerpo cargado es un campo eléctrico en el que actúan fuerzas eléctricas.

La dirección de las fuerzas de campo se denominan líneas de campo eléctrico. Por lo tanto, generalmente se acepta que un campo eléctrico es un conjunto de líneas de fuerza.

Las líneas de campo tienen ciertas propiedades:

• las líneas de fuerza siempre salen de un cuerpo cargado positivamente y entran en un cuerpo cargado negativamente;

• salen en todas las direcciones perpendiculares a la superficie del cuerpo cargado y entran en él perpendicularmente;

• las líneas de fuerza de dos cuerpos igualmente cargados parecen repelerse, y los cuerpos con cargas opuestas se atraen.

Las líneas de fuerza del campo eléctrico siempre están abiertas cuando rompen en la superficie de los cuerpos cargados.Los cuerpos con carga eléctrica interactúan: con carga opuesta se atraen y se repelen de manera similar.

Los cuerpos cargados eléctricamente (partículas) con cargas q1 y q2 interactúan entre sí con una fuerza F, que es una cantidad vectorial y se mide en newtons (N). Cuerpos con cargas opuestas se atraen y con cargas similares se repelen.

La fuerza de atracción o repulsión depende de la magnitud de las cargas sobre los cuerpos y de la distancia entre ellos.

Los cuerpos cargados se llaman punto si sus dimensiones lineales son pequeñas comparadas con la distancia r entre los cuerpos. La magnitud de su fuerza de interacción F depende de la magnitud de las cargas q1 y q2, la distancia r entre ellas y el entorno en el que se encuentran las cargas eléctricas.

Si no hay aire en el espacio entre los cuerpos, sino algún otro dieléctrico, es decir, un no conductor de electricidad, entonces la fuerza de interacción entre los cuerpos disminuirá.

El valor que caracteriza las propiedades de un dieléctrico y muestra cuántas veces aumentará la fuerza de interacción entre cargas si un dieléctrico dado es reemplazado por aire se llama permitividad relativa de un dieléctrico dado.

La constante dieléctrica es igual a: para aire y gases — 1; para ebonita - 2 - 4; para mica 5 — 8; para aceite 2 — 5; para papel 2 — 2,5; para parafina — 2 — 2.6.

El campo electrostático de dos cuerpos cargados: a — tala se cargan con el mismo nombre, b — los cuerpos se cargan de manera diferente

Inducción electrostática

Si a un cuerpo conductor A con forma esférica, aislado de los objetos que lo rodean, se le da una carga eléctrica negativa, es decir, para crear un exceso de electrones en él, entonces esta carga se distribuirá uniformemente sobre la superficie del cuerpo.Esto se debe a que los electrones, al repelerse entre sí, tienden a salir a la superficie del cuerpo.

Colocamos un cuerpo B sin carga, también aislado de los objetos circundantes, en el campo del cuerpo A. Entonces aparecerán cargas eléctricas en la superficie del cuerpo B, y en el lado que mira al cuerpo A, una carga opuesta a la carga del cuerpo A ( positivo ), y en el otro lado, una carga con el mismo nombre que la carga del cuerpo A (negativo). Las cargas eléctricas así distribuidas permanecen en la superficie del cuerpo B mientras está en el campo del cuerpo A. Si el cuerpo B se retira del campo o el cuerpo A, entonces la carga eléctrica en la superficie del cuerpo B se neutraliza. Este método de electrificación a distancia se denomina inducción electrostática o electrificación por influencia.

El fenómeno de la inducción electrostática.

Es obvio que tal estado electrificado del cuerpo es forzado y mantenido exclusivamente por la acción de las fuerzas del campo eléctrico creado por el cuerpo A.

Si hacemos lo mismo cuando el cuerpo A tiene carga positiva, entonces los electrones libres de la mano de una persona correrán hacia el cuerpo B, neutralizarán su carga positiva y el cuerpo B tendrá carga negativa.

Cuanto mayor sea el grado de electrificación del cuerpo A, es decir, cuanto mayor sea su potencial, mayor potencial podrá electrificarse mediante la inducción electrostática del cuerpo B.

Así llegamos a la conclusión de que el fenómeno de la inducción electrostática hace posible bajo ciertas condiciones acumular electricidad en la superficie de los cuerpos conductores.

Cualquier cuerpo puede cargarse hasta cierto límite, es decir, hasta cierto potencial; un aumento en el potencial más allá del límite hace que el cuerpo sea expulsado a la atmósfera circundante. Diferentes cuerpos necesitan diferentes cantidades de electricidad para llevarlos al mismo potencial. En otras palabras, diferentes cuerpos contienen diferentes cantidades de electricidad, es decir, tienen diferentes capacidades eléctricas (o simplemente capacidades).

La capacidad eléctrica es la capacidad de un cuerpo para contener una cierta cantidad de electricidad mientras aumenta su potencial a un valor determinado. Cuanto mayor sea el área de superficie del cuerpo, más carga eléctrica puede contener ese cuerpo.

Si el cuerpo tiene la forma de una pelota, entonces su capacidad es directamente proporcional al radio de la pelota. La capacitancia se mide en faradios.

Una farada es la capacidad de tal cuerpo que, después de recibir una carga de electricidad en un colgante, aumenta su potencial en un voltio... 1 farad = 1.000.000 microfaradios.

La capacidad eléctrica, es decir, la propiedad de los cuerpos conductores de acumular carga eléctrica en sí mismos, es ampliamente utilizada en ingeniería eléctrica. El dispositivo se basa en esta propiedad. capacitores electricos.

Capacitancia del capacitor

Un condensador consta de dos placas de metal (placas), aisladas entre sí con una capa de aire u otro dieléctrico (mica, papel, etc.).

Si a una de las placas se le da una carga positiva y la otra es negativa, es decir, las carga de manera opuesta, entonces las cargas de las placas, que se atraen mutuamente, se mantendrán en las placas. Esto permite que se concentre mucha más electricidad en las placas que si se cargaran a distancia unas de otras.

Por tanto, un condensador puede servir como un dispositivo que almacena una cantidad importante de electricidad en sus placas. En otras palabras, un capacitor es un almacenamiento de energía eléctrica.

La capacitancia del capacitor es igual a:

C = eS / 4pl

donde C es la capacitancia; e es la constante dieléctrica del dieléctrico; S — área de una placa en cm2, NS — número constante (pi) igual a 3,14; l — distancia entre placas en cm.

De esta fórmula se puede ver que a medida que aumenta el área de las placas, aumenta la capacidad del capacitor, y a medida que aumenta la distancia entre ellas, disminuye.

Expliquemos esta dependencia. Cuanto mayor sea el área de las placas, más electricidad podrán absorber y por lo tanto la capacidad del capacitor será mayor.

A medida que disminuye la distancia entre las placas, aumenta la influencia mutua (inducción) entre sus cargas, lo que permite concentrar más electricidad en las placas y, por tanto, aumentar la capacidad del condensador.

Por lo tanto, si queremos obtener un capacitor grande, debemos tomar placas con un área grande y aislarlas con una capa dieléctrica delgada.

La fórmula también muestra que a medida que aumenta la constante dieléctrica del dieléctrico, aumenta la capacitancia del capacitor.

Por lo tanto, los capacitores con las mismas dimensiones geométricas pero que contienen diferentes dieléctricos tienen diferentes capacitancias.

Si, por ejemplo, tomamos un capacitor con un dieléctrico de aire cuya constante dieléctrica es igual a la unidad, y colocamos mica con una constante dieléctrica de 5 entre sus placas, entonces la capacitancia del capacitor aumentará 5 veces.

Por ello, materiales como la mica, el papel impregnado de parafina, etc., cuya constante dieléctrica es muy superior a la del aire, se utilizan como dieléctricos para obtener una gran capacidad.

En consecuencia, se distinguen los siguientes tipos de condensadores: aire, dieléctrico sólido y dieléctrico líquido.

Carga y descarga del condensador. Corriente de polarización

Incluyamos un capacitor de capacitancia constante en el circuito. Al colocar el interruptor en el contacto a, el capacitor se incluirá en el circuito de la batería. La aguja del miliamperímetro en el momento en que el condensador está conectado al circuito se desviará y luego se pondrá a cero.

Condensador de CC

Por lo tanto, una corriente eléctrica pasó a través del circuito en cierta dirección. Si ahora se coloca el interruptor en el contacto b (es decir, se cierran las placas), la aguja del miliamperímetro se desviará en la otra dirección y volverá a cero. Por lo tanto, también pasó una corriente por el circuito, pero en una dirección diferente. Analicemos este fenómeno.

Cuando el capacitor se conectó a la batería, se cargó, es decir, sus placas recibieron una carga positiva y otra negativa. La facturación continúa hasta diferencia de potencial entre las placas del capacitor no es igual al voltaje de la batería. Un miliamperímetro conectado en serie en el circuito indica la corriente de carga del capacitor, que se detiene inmediatamente después de que se carga el capacitor.

Cuando el capacitor se desconectó de la batería, permaneció cargado y la diferencia de potencial entre sus placas fue igual al voltaje de la batería.

Sin embargo, tan pronto como se cerró el capacitor, comenzó a descargarse y la corriente de descarga pasó por el circuito, pero ya en la dirección opuesta a la corriente de carga. Esto continúa hasta que desaparece la diferencia de potencial entre las placas, es decir, hasta que se descarga el capacitor.

Por lo tanto, si el capacitor está incluido en el circuito de CC, la corriente fluirá en el circuito solo en el momento de cargar el capacitor, y en el futuro no habrá corriente en el circuito, porque el dieléctrico romperá el circuito. del capacitor

Por eso dicen que «Un condensador no deja pasar corriente continua».

La cantidad de electricidad (Q) que se puede concentrar en las placas del capacitor, su capacidad (C) y el valor del voltaje suministrado al capacitor (U) están relacionados por la siguiente relación: Q = CU.

Esta fórmula muestra que cuanto mayor es la capacidad del capacitor, más electricidad se puede concentrar en él sin aumentar significativamente el voltaje en sus placas.

Aumentar el voltaje de capacitancia de CC también aumenta la cantidad de electricidad almacenada por el capacitor. Sin embargo, si se aplica un gran voltaje a las placas del capacitor, entonces el capacitor puede "romperse", es decir, bajo la acción de este voltaje, el dieléctrico colapsará en algún lugar y dejará que la corriente lo atraviese. En este caso, el condensador dejará de funcionar. Para evitar daños a los condensadores, indican el valor de la tensión de funcionamiento admisible.

Fenómeno de polarización dieléctrica

Analicemos ahora qué sucede en un dieléctrico cuando se carga y descarga un capacitor y por qué el valor de la capacitancia depende de la constante dieléctrica.

La respuesta a esta pregunta nos la da la teoría electrónica de la estructura de la materia.

En un dieléctrico, como en cualquier aislante, no hay electrones libres. En los átomos del dieléctrico, los electrones están estrechamente unidos al núcleo, por lo tanto, el voltaje aplicado a las placas del capacitor no provoca un movimiento direccional de los electrones en su dieléctrico, es decir, corriente eléctrica, como en el caso de los cables.

Sin embargo, bajo la acción de las fuerzas del campo eléctrico creadas por las placas cargadas, los electrones que giran alrededor del núcleo atómico se desplazan hacia la placa del condensador cargada positivamente. Al mismo tiempo, el átomo se estira en la dirección de las líneas de campo.Este estado de los átomos dieléctricos se llama polarizado, y el fenómeno en sí se llama polarización dieléctrica.

Cuando se descarga el condensador, se rompe el estado polarizado del dieléctrico, es decir, desaparece el desplazamiento de los electrones con respecto al núcleo provocado por la polarización y los átomos vuelven a su estado habitual despolarizado. Se encontró que la presencia de dieléctrico debilita el campo entre las placas del capacitor.

Diferentes dieléctricos bajo la acción del mismo campo eléctrico se polarizan en diferentes grados. Cuanto más fácilmente se polariza el dieléctrico, más se debilita el campo. La polarización del aire, por ejemplo, produce menos debilitamiento del campo que la polarización de cualquier otro dieléctrico.

Pero el debilitamiento del campo entre las placas del capacitor le permite concentrar en ellas una mayor cantidad de electricidad Q al mismo voltaje U, lo que a su vez conduce a un aumento en la capacidad del capacitor, ya que C = Q / U .

Entonces llegamos a la conclusión: cuanto mayor es la constante dieléctrica del dieléctrico, mayor es la capacidad del capacitor que contiene este dieléctrico en su composición.

El desplazamiento de electrones en los átomos del dieléctrico, que se produce, como ya dijimos, bajo la acción de las fuerzas del campo eléctrico, se forma en el dieléctrico, en el primer momento de la acción del campo, un corriente Llamada corriente de deflexión... Se llama así porque a diferencia de la corriente de conducción en los cables metálicos, la corriente de desplazamiento se genera solo por el desplazamiento de los electrones que se mueven en sus átomos.

La presencia de esta corriente de polarización hace que el capacitor conectado a la fuente de CA se convierta en su conductor.

Ver también sobre este tema: Campo eléctrico y magnético: ¿cuáles son las diferencias?

Las principales características del campo eléctrico y las principales características eléctricas del medio (términos básicos y definiciones)

Fuerza de campo eléctrico

Una cantidad vectorial que caracteriza la acción de la fuerza de un campo eléctrico sobre cuerpos y partículas eléctricamente cargados, igual al límite de la relación de la fuerza con la que el campo eléctrico actúa sobre un cuerpo estacionario con carga puntual introducido en el punto considerado del campo para la carga de este cuerpo cuando esta carga tiende a cero y cuya dirección se supone que coincide con la dirección de la fuerza que actúa sobre un cuerpo puntual cargado positivamente.

Una línea de campo eléctrico

Una línea en cualquier punto cuya tangente a ella coincide con la dirección del vector de intensidad de campo eléctrico.

polarización eléctrica

El estado de la materia caracterizado por el hecho de que el momento eléctrico de un volumen dado de esa sustancia tiene un valor distinto de cero.

Conductividad eléctrica

Propiedad de una sustancia de conducir, bajo la influencia de un campo eléctrico que no cambia con el tiempo, una corriente eléctrica que no cambia con el tiempo.

Dieléctrico

Sustancia cuya principal propiedad eléctrica es la capacidad de polarizarse en un campo eléctrico y en la que es posible la existencia a largo plazo de un campo electrostático.

Una sustancia conductora

Sustancia cuya principal propiedad eléctrica es la conductividad eléctrica.

Director

Cuerpo conductor.

Sustancia semiconductora (semiconductor)

Sustancia cuya conductividad eléctrica es intermedia entre una sustancia conductora y una dieléctrica y cuyas propiedades distintivas son: una marcada dependencia de la conductividad eléctrica con la temperatura; cambio en la conductividad eléctrica cuando se expone a un campo eléctrico, luz y otros factores externos; dependencia significativa de su conductividad eléctrica de la cantidad y naturaleza de las impurezas introducidas, lo que permite amplificar y corregir la corriente eléctrica, así como convertir algunos tipos de energía en electricidad.

Polarización (intensidad de polarización)

Una cantidad vectorial que caracteriza el grado de polarización eléctrica del dieléctrico, igual al límite de la relación del momento eléctrico de un cierto volumen del dieléctrico a este volumen cuando este último tiende a cero.

constante electrica

Una cantidad escalar que caracteriza el campo eléctrico en una cavidad, igual a la relación de la carga eléctrica total contenida en cierta superficie cerrada al flujo del vector de fuerza del campo eléctrico a través de esta superficie en el vacío.

Susceptibilidad dieléctrica absoluta

Cantidad escalar que caracteriza la propiedad de un dieléctrico de polarizarse en una masa eléctrica, igual a la relación entre la magnitud de la polarización y la magnitud de la intensidad del campo eléctrico.

Sensibilidad dieléctrica

La relación de la susceptibilidad dieléctrica absoluta en el punto considerado del dieléctrico a la constante eléctrica.

Desplazamiento eléctrico

Cantidad vectorial igual a la suma geométrica de la intensidad del campo eléctrico en el punto considerado multiplicada por la constante eléctrica y la polarización en el mismo punto.

Constante dieléctrica absoluta

Cantidad escalar que caracteriza las propiedades eléctricas de un dieléctrico e igual a la relación entre la magnitud del desplazamiento eléctrico y la magnitud del voltaje del campo eléctrico.

la constante dielectrica

La relación de la constante dieléctrica absoluta en el punto considerado del dieléctrico a la constante eléctrica.

Línea eléctrica de desplazamiento

Una línea en cada punto de la cual la tangente a ella coincide con la dirección del vector de desplazamiento eléctrico.

Inducción electrostática

El fenómeno de inducción de cargas eléctricas en un cuerpo conductor bajo la influencia de un campo electrostático externo.

campo eléctrico estacionario

El campo eléctrico de las corrientes eléctricas que no cambian con el tiempo, siempre que los conductores que llevan la corriente estén estacionarios.

Campo eléctrico potencial

Un campo eléctrico en el que el rotor del vector de intensidad de campo eléctrico es en todas partes igual a cero.

Campo eléctrico de remolino

Un campo eléctrico en el que el rotor del vector de intensidad no siempre es igual a cero.

La diferencia de potencial eléctrico en dos puntos

Una cantidad escalar que caracteriza un campo eléctrico potencial, igual al límite de la relación del trabajo de las fuerzas de este campo, cuando un cuerpo puntual cargado positivamente se transfiere de un punto dado del campo a otro, a la carga de este cuerpo. , cuando la carga del cuerpo tiende a cero (si no: igual a la integral de línea de la intensidad del campo eléctrico de un punto dado a otro).

Potencial eléctrico en un punto dado

La diferencia entre los potenciales eléctricos de un punto dado y otro punto especificado pero elegido arbitrariamente.

Capacidad eléctrica de un solo conductor.

Una cantidad escalar que caracteriza la capacidad de un conductor para acumular carga eléctrica, igual a la relación entre la carga del conductor y su potencial, suponiendo que todos los demás conductores están infinitamente distantes y que el potencial del punto infinitamente distante se supone que es cero.

Capacitancia eléctrica entre dos conductores individuales

Un valor escalar igual al valor absoluto de la relación entre la carga eléctrica de un conductor y la diferencia de potencial eléctrico de dos conductores, siempre que estos conductores tengan la misma magnitud pero de signo opuesto y que todos los demás conductores estén infinitamente distantes.

Condensador

Un sistema de dos conductores (placas) separados por un dieléctrico diseñado para usar la capacitancia entre los dos conductores.

Capacitancia del capacitor

El valor absoluto de la relación entre la carga eléctrica de una de las placas del condensador y la diferencia de potencial entre ellas, siempre que las placas tengan cargas de la misma magnitud y de signo opuesto.

Capacitancia entre dos conductores en un sistema de cables (capacitancia parcial)

El valor absoluto de la relación de la carga eléctrica de uno de los conductores incluidos en el sistema de conductores a la diferencia de potencial entre éste y otro conductor, si todos los conductores, excepto este último, tienen el mismo potencial; si la tierra está incluida en el sistema de cables considerado, entonces su potencial se toma como cero.

Campo eléctrico de terceros

El campo causado por procesos térmicos, reacciones químicas, fenómenos de contacto, fuerzas mecánicas y otros procesos no electromagnéticos (en examen macroscópico); caracterizado por un fuerte efecto sobre partículas cargadas y cuerpos ubicados en el área donde existe este campo.

Campo eléctrico inducido

Un campo eléctrico inducido por el campo magnético variable en el tiempo.

Fuerza electromotriz E. d. S.

Una cantidad escalar que caracteriza la capacidad de un campo eléctrico externo e inducido para inducir una corriente eléctrica igual a la integral lineal de la fuerza de los campos eléctricos externos e inducidos entre dos puntos a lo largo del camino considerado o a lo largo del circuito cerrado considerado.

Voltaje

Una cantidad escalar igual a la integral lineal de la fuerza del campo eléctrico resultante (electrostático, estacionario, externo, inductivo) entre dos puntos a lo largo del camino considerado.