電場、靜電感應、電容和電容器

電場概念

已知電場力作用於電荷周圍的空間。對帶電體的大量實驗充分證實了這一點。任何帶電體周圍的空間都是電場，電力在其中起作用。

場力的方向稱為電場線。因此，一般認為電場是力線的集合。

場線具有某些屬性：

• 力線總是離開帶正電的物體並進入帶負電的物體；

• 它們從垂直於帶電體表面的所有方向射出並垂直進入；

• 兩個帶等電荷的物體的力線似乎相互排斥，而帶相反電荷的物體相互吸引。

電場力線在帶電體表面斷裂時始終是開放的。帶電物體相互作用：帶相反電荷的物體相互吸引，同樣排斥。

帶電荷 q1 和 q2 的帶電物體（粒子）以力 F 相互作用，力 F 是矢量，以牛頓 (N) 為單位測量。帶相反電荷的物體相互吸引，帶相似電荷的物體相互排斥。

吸引力或排斥力取決於物體上電荷的大小和它們之間的距離。

如果帶電物體的線性尺寸與物體之間的距離 r 相比較小，則帶電物體稱為點。它們相互作用力F的大小取決於電荷q1和q2的大小、它們與電荷所在環境的距離r。

如果物體之間的空間中沒有空氣，而是其他一些電介質，即電的非導體，那麼物體之間的相互作用力就會減小。

表徵電介質特性並顯示如果將給定電介質替換為空氣，電荷之間的相互作用力將增加多少倍的值稱為給定電介質的相對介電常數。

介電常數等於： 對於空氣和氣體——1；對於硬橡膠 — 2 — 4；對於雲母 5—8；對於油 2 - 5;紙 2 — 2.5；對於石蠟 — 2 — 2.6。

兩個帶電體的靜電場：a - tala 同名帶電，b - 不同帶電體

靜電感應

如果給一個與周圍物體隔絕的球形導電體A帶上負電荷，即在其中產生過剩的電子，那麼這個電荷就會均勻分佈在物體表面。這是因為電子相互排斥，往往會來到身體的表面。

我們把一個不帶電的物體B，也與周圍的物體隔離開來，放在物體A的場中，那麼物體B的表面就會出現電荷，而在面對物體A的一側，會出現與物體A所帶電荷相反的電荷（正 ), 在另一側 - 與身體 A 的電荷同名的電荷 (負).如此分配的電荷保留在物體 B 的表面上，而物體 B 在物體 A 的場中。如果物體 B 從場中移除或物體 A 移除，則物體 B 表面的電荷被中和。這種遠距離起電的方法稱為靜電感應或影響起電。

靜電感應現象

很明顯，身體的這種帶電狀態完全是由身體 A 產生的電場力的作用強制和維持的。

如果我們在A體帶正電時也這樣做，那麼人手上的自由電子就會沖向B體，中和它的正電荷，B體就會帶負電。

物體A的帶電程度越高，即其電勢越大，則物體B通過靜電感應帶電的電勢就越大。

因此我們得出結論，靜電感應現象使得在一定條件下有可能積累 電 在導電體的表面。

任何物體都可以充電到一定的限度，即達到一定的電勢；超過極限的電位增加會導致身體被噴射到周圍的大氣中。不同的身體需要不同的電量才能使它們達到相同的電位。換句話說，不同的物體所含的電量不同，也就是說，它們具有不同的電容量（或簡稱容量）。

電容量是物體在將其電位增加到一定值的同時容納一定量的電的能力。身體的表面積越大，身體能容納的電荷就越多。

如果物體具有球的形狀，那麼它的容量與球的半徑成正比。電容以法拉為單位測量。

法拉達是這樣一個物體的容量，在吊墜充電後，其電勢增加一伏……1 法拉 = 1,000,000 微法拉。

電容量，即導電體自身積累電荷的特性，在電氣工程中應用廣泛。該設備基於此屬性 電容器.

電容器的容量

電容器由兩塊金屬板（極板）組成，它們之間用空氣層或另一種電介質（雲母、紙等）相互隔離。

如果其中一個板帶正電荷而另一個板帶負電荷，也就是說，它們帶相反的電荷，則板的電荷相互吸引，將保留在板上。與在彼此相距一定距離的地方充電相比，這可以讓更多的電力集中在板上。

因此，電容器可以用作在其極板中存儲大量電量的設備。換句話說，電容器是電能的儲存器。

電容器的電容等於：

C = eS / 4pl

其中 C 是電容； e 是電介質的介電常數； S——一塊板的面積，cm2，NS——常數（pi）等於3.14； l——板間距離，cm。

從這個公式可以看出，隨著極板面積的增大，電容器的容量增大，隨著它們之間距離的增大，減小。

讓我們解釋一下這種依賴關係。極板的面積越大，它們能吸收的電能就越多，因此電容器的容量也就越大。

隨著極板之間的距離減小，它們的電荷之間的相互影響（感應）增加，這使得可以將更多的電集中在極板上，從而增加電容器的容量。

因此，如果我們想得到一個大電容器，我們需要採用大面積的極板並用薄介電層將它們絕緣。

該公式還表明，隨著電介質的介電常數增加，電容器的電容增加。

因此，具有相同幾何尺寸但包含不同電介質的電容器具有不同的電容。

例如，如果我們採用介電常數等於 1 的空氣電介質的電容器，並在其極板之間放置介電常數為 5 的雲母，則電容器的電容將增加 5 倍。

因此，採用介電常數遠高於空氣的雲母、石蠟浸漬紙等材料作為電介質，以獲得大容量。

因此，區分了以下類型的電容器：空氣、固體電介質和液體電介質。

對電容器進行充電和放電。偏置電流

讓我們在電路中加入一個電容恆定的電容器。通過將開關置於觸點 a 上，電容器將包含在電池電路中。電容接入電路的瞬間，毫安表的指針會出現偏移，然後歸零。

直流電容

因此，電流按一定方向通過電路。如果現在將開關置於觸點 b 上（即關閉板），則毫安表針將向另一個方向偏轉並返回零。因此，電流也通過電路，但方向不同。我們來分析一下這個現象。

當電容器連接到電池時，它被充電，也就是說，它的極板接受一個正電荷和另一個負電荷。計費持續到 潛在差異 電容器極板之間不等於電池電壓。電路中串聯一個毫安表指示電容器的充電電流，電容器充電後立即停止。

當電容器與電池斷開連接時，它仍保持充電狀態，其極板之間的電位差等於電池電壓。

然而，電容器一閉合，就開始放電，放電電流通過電路，但已經與充電電流方向相反。這一直持續到極板之間的電位差消失，即直到電容器放電。

因此，如果電容器包含在直流電路中，電流只會在電容器充電時在電路中流動，以後電路中將沒有電流，因為電路會被電介質擊穿的電容器。

這就是為什麼他們說“電容器不通過直流電”。

可以集中在電容器極板上的電量 (Q)、電容器的容量 (C) 和提供給電容器的電壓值 (U) 之間存在以下關係：Q = CU。

該公式表明，電容器的容量越大，可以在其上集中更多的電力，而不會顯著增加其極板上的電壓。

增加直流電容電壓也會增加電容器存儲的電量。但是，如果在電容器的極板上施加一個很大的電壓，那麼電容器就會被“擊穿”，即在這個電壓的作用下，電介質會在某個地方塌陷，讓電流通過。在這種情況下，電容器將停止工作。為避免損壞電容器，它們指示了允許的工作電壓值。

介電極化現象

現在讓我們分析當電容器充電和放電時電介質中會發生什麼，以及為什麼電容值取決於介電常數？

這個問題的答案給了我們物質結構的電子理論。

在電介質中，就像在任何絕緣體中一樣，沒有自由電子。在電介質的原子中，電子與核心緊密結合，因此施加到電容器極板上的電壓不會導致電子在其電介質中的定向運動，即電流，就像電線一樣。

然而，在帶電板產生的電場力的作用下，圍繞原子核旋轉的電子向帶正電的電容器板移動。同時，原子在場線方向上被拉伸，介電原子的這種狀態稱為極化，這種現象本身稱為介電極化。

當電容器放電時，電介質的極化狀態被打破，即由極化引起的電子相對於原子核的位移消失，原子恢復到它們通常的非極化狀態。發現電介質的存在削弱了電容器極板之間的場。

不同的電介質在同一電場作用下發生不同程度的極化。電介質越容易極化，就越會削弱電場。例如，空氣的極化導致比任何其他電介質的極化更少的場減弱。

但是電容器極板之間場的減弱允許您在相同電壓 U 下將更多的電量 Q 集中在它們上，這反過來又導致電容器容量增加，因為 C = Q / U .

所以我們得出結論——電介質的介電常數越大，成分中包含這種電介質的電容器的容量就越大。

正如我們已經說過的，在電場力的作用下發生的電介質原子中的電子位移，在電場作用的第一時刻在電介質中形成，電current . 稱為偏轉電流... 之所以這樣命名是因為與金屬導線中的傳導電流不同，位移電流僅由電子在其原子中移動的位移產生。

此偏置電流的存在導致連接到交流電源的電容器成為其導體。

另請參閱此主題： 電場和磁場：有什麼區別？

電場的主要特性和介質的主要電氣特性（基本術語和定義）

電場強度

表徵電場對帶電體和粒子的力作用的矢量，等於電場作用於在考慮的場點處引入的固定點帶電體的力與電場的比值的極限當此電荷趨於零時該物體的電荷，其方向假定與作用在帶正電的點物體上的力的方向一致。

電場線

任意一點的線，其切線與電場強度矢量的方向重合。

電極化

物質的狀態，其特徵在於該物質的給定體積的電矩具有非零值。

導電率

物質在不隨時間變化的電場的影響下傳導不隨時間變化的電流的特性。

電介質

一種物質，其主要電學性質是在電場中能夠極化，並可能長期存在靜電場。

導電物質

主要電性能為導電性的物質。

導演

導電體。

半導體物質（半導體）

一種導電性介於導電物質和電介質之間的物質，其顯著特性是： 導電性對溫度的顯著依賴性；當暴露於電場、光和其他外部因素時，電導率會發生變化；它的電導率對引入雜質的數量和性質有很大的依賴性，這使得放大和校正電流以及將某些類型的能量轉化為電能成為可能。

偏振（偏振強度）

表徵電介質電極化程度的矢量，等於電介質一定體積的電矩與該體積趨於零時的電矩之比的極限。

電常數

表徵空腔內電場的標量，等於某一封閉曲面所含的總電荷與空腔中通過該曲面的電場強度矢量的流量之比。

絕對介電敏感性

表徵電質量中被極化的電介質特性的標量，等於極化幅度與電場強度幅度之比。

介電靈敏度

電介質考慮點處的絕對介電磁化率與電常數之比。

電動位移

一個矢量等於所考慮點的電場強度乘以同一點的電常數和極化的幾何和。

絕對介電常數

表徵電介質電性能的標量，等於電位移量值與電場電壓量值之比。

介電常數

電介質考慮點處的絕對介電常數與電常數之比。

位移電源線

每一點的切線都與電位移矢量的方向重合的直線。

靜電感應

在外部靜電場的影響下，導電體感應電荷的現象。

靜止電場

如果載流導體是靜止的，則電流的電場不會隨時間變化。

電位電場

轉子的電場強度矢量處處為零的電場。

渦旋電場

強度矢量的轉子不總是為零的電場。

兩點的電位差

表徵潛在電場的標量，等於當帶正電的點體從場的一個給定點轉移到另一個給定點時，該場力的功比的極限到該體的電荷，當身體的電荷趨於零時（否則：等於從一個給定點到另一個給定點的電場強度的線積分）。

給定點的電勢

給定點與另一個指定但任意選擇的點之間的電勢差。

單根導體的電容

表徵導體積聚電荷能力的標量，等於導體所帶電荷與其電勢之比，假設所有其他導體都無限遠，無限遠點的電勢假定為零。

兩個單導體之間的電容

一個標量值等於一個導體上的電荷與兩個導體的電位差之比的絕對值，前提是這些導體具有相同的大小但符號相反，並且所有其他導體都無限遠。

冷凝器

由電介質隔開的兩個導體（板）組成的系統，旨在利用兩個導體之間的電容。

電容器的容量

一個電容器板上的電荷與它們之間的電位差之比的絕對值，前提是這些板具有大小相同且符號相反的電荷。

導線系統中兩個導體之間的電容（部分電容）

如果除後者之外的所有導體都具有相同的電勢，則導體系統中其中一個導體的電荷與其與另一個導體之間的電勢差之比的絕對值；如果地麵包含在所考慮的電線系統中，則其電勢為零。

第三方電場

由熱過程、化學反應、接觸現象、機械力和其他非電磁（宏觀檢查）過程引起的場；其特點是對位於該場存在區域的帶電粒子和物體產生強烈影響。

感應電場

由時變磁場感應的電場。

電動勢 E. d. S.

一個標量，表徵外部電場和感應電場感應電流的能力，該電流等於沿所考慮路徑或沿所考慮閉合電路的兩點之間的外部電場和感應電場強度的線性積分。

電壓

一個標量，等於所考慮路徑上兩點之間產生的電場（靜電、靜止、外部、感應）強度的線性積分。