Medan listrik, induksi elektrostatik, kapasitansi dan kapasitor

Konsep medan listrik

Gaya medan listrik diketahui beraksi di ruang sekitar muatan listrik. Banyak percobaan pada benda bermuatan sepenuhnya mengkonfirmasi hal ini. Ruang di sekitar benda bermuatan apa pun adalah medan listrik tempat gaya listrik bekerja.

Arah gaya medan disebut garis medan listrik. Oleh karena itu, diterima secara umum bahwa medan listrik adalah kumpulan garis-garis gaya.

Garis bidang memiliki sifat tertentu:

• garis gaya selalu meninggalkan benda bermuatan positif dan memasuki benda bermuatan negatif;

• mereka keluar ke segala arah tegak lurus ke permukaan benda bermuatan dan masuk secara tegak lurus;

• garis-garis gaya dari dua benda bermuatan sama tampaknya saling tolak, dan benda bermuatan berlawanan menarik.

Garis gaya medan listrik selalu terbuka saat putus di permukaan benda bermuatan.Benda bermuatan listrik berinteraksi: muatan berlawanan menarik dan menolak dengan cara yang sama.

Benda bermuatan listrik (partikel) dengan muatan q1 dan q2 berinteraksi satu sama lain dengan gaya F, yang merupakan besaran vektor dan diukur dalam newton (N). Benda dengan muatan berlawanan saling menarik dan dengan muatan serupa saling tolak.

Gaya tarik-menarik atau tolakan tergantung pada besarnya muatan pada benda dan jarak di antara mereka.

Benda bermuatan disebut titik jika dimensi liniernya kecil dibandingkan dengan jarak r antara benda. Besarnya gaya interaksi mereka F tergantung pada besarnya muatan q1 dan q2, jarak r antara mereka dan lingkungan tempat muatan listrik berada.

Jika tidak ada udara di ruang antar benda, tetapi beberapa dielektrik lain, yaitu nonkonduktor listrik, maka gaya interaksi antar benda akan berkurang.

Nilai yang mencirikan sifat-sifat dielektrik dan menunjukkan berapa kali gaya interaksi antara muatan akan meningkat jika dielektrik tertentu diganti dengan udara disebut permitivitas relatif dari dielektrik tertentu.

Konstanta dielektrik sama dengan: untuk udara dan gas - 1; untuk ebonit — 2 — 4; untuk mika 5-8; untuk minyak 2 — 5; untuk kertas 2 — 2,5; untuk parafin — 2 — 2.6.

Medan elektrostatik dari dua benda bermuatan: a — tala diisi dengan nama yang sama, b — benda bermuatan berbeda

induksi elektrostatik

Jika benda penghantar A berbentuk bola yang diisolasi dari benda sekitarnya diberi muatan listrik negatif, yaitu menimbulkan kelebihan elektron di dalamnya, maka muatan ini akan tersebar merata di seluruh permukaan benda.Ini karena elektron yang saling tolak cenderung datang ke permukaan tubuh.

Kami menempatkan benda B yang tidak bermuatan, juga diisolasi dari benda-benda di sekitarnya, di bidang benda A. Kemudian muatan listrik akan muncul di permukaan benda B, dan di sisi yang menghadap benda A, muatan berlawanan dengan muatan benda A ( positif ), dan di sisi lain - muatan dengan nama yang sama dengan muatan benda A (negatif). Muatan listrik yang didistribusikan dengan demikian tetap berada di permukaan benda B selama berada di medan benda A. Jika benda B dihilangkan dari medan atau benda A dihilangkan, maka muatan listrik pada permukaan benda B dinetralkan. Metode elektrifikasi jarak jauh ini disebut induksi elektrostatik atau elektrifikasi oleh pengaruh.

Fenomena induksi elektrostatik

Jelaslah bahwa keadaan tubuh yang dialiri listrik seperti itu dipaksa dan dipertahankan secara eksklusif oleh aksi gaya medan listrik yang diciptakan oleh benda A.

Jika kita melakukan hal yang sama saat benda A bermuatan positif, maka elektron bebas dari tangan seseorang akan mengalir ke benda B, menetralkan muatan positifnya, dan benda B akan bermuatan negatif.

Semakin tinggi derajat elektrifikasi benda A, yaitu semakin besar potensinya, semakin besar potensi yang dapat dialiri listrik melalui benda B induksi elektrostatis.

Jadi kami sampai pada kesimpulan bahwa fenomena induksi elektrostatik memungkinkan untuk terakumulasi dalam kondisi tertentu listrik pada permukaan benda konduktif.

Benda apa pun dapat dibebankan hingga batas tertentu, yaitu hingga potensi tertentu; peningkatan potensial di luar batas menyebabkan tubuh terlempar ke atmosfer sekitarnya. Tubuh yang berbeda membutuhkan jumlah listrik yang berbeda untuk membawa mereka ke potensi yang sama. Dengan kata lain, benda yang berbeda mengandung jumlah listrik yang berbeda, yaitu, mereka memiliki kapasitas listrik yang berbeda (atau hanya kapasitas).

Kapasitas listrik adalah kemampuan suatu benda untuk mengandung sejumlah listrik sambil meningkatkan potensinya ke nilai tertentu. Semakin besar luas permukaan benda, semakin banyak muatan listrik yang dapat ditampung benda tersebut.

Jika benda berbentuk bola, maka kapasitasnya berbanding lurus dengan jari-jari bola. Kapasitansi diukur dalam farad.

Farada adalah kapasitas benda yang, setelah menerima muatan listrik di liontin, meningkatkan potensinya sebesar satu volt... 1 farad = 1.000.000 mikrofarad.

Kapasitas listrik, yaitu sifat benda konduktif untuk mengakumulasi muatan listrik di dalamnya, banyak digunakan dalam teknik kelistrikan. Perangkat didasarkan pada properti ini kapasitor listrik.

Kapasitansi kapasitor

Kapasitor terdiri dari dua pelat logam (pelat), diisolasi satu sama lain dengan lapisan udara atau dielektrik lain (mika, kertas, dll.).

Jika salah satu pelat diberi muatan positif dan yang lainnya negatif, yaitu muatannya berlawanan, maka muatan pelat yang saling menarik akan tertahan di pelat. Hal ini memungkinkan lebih banyak listrik untuk terkonsentrasi pada pelat daripada jika diisi pada jarak satu sama lain.

Oleh karena itu, kapasitor dapat berfungsi sebagai perangkat yang menyimpan sejumlah besar listrik di pelatnya. Dengan kata lain, kapasitor adalah penyimpan energi listrik.

Kapasitansi kapasitor sama dengan:

C = eS / 4pl

di mana C adalah kapasitansi; e adalah konstanta dielektrik dari dielektrik; S — luas satu pelat dalam cm2, NS — angka konstan (pi) sama dengan 3,14; l — jarak antar pelat dalam cm.

Dari rumus ini, terlihat bahwa dengan bertambahnya luas pelat, kapasitas kapasitor bertambah, dan dengan bertambahnya jarak antara pelat, kapasitasnya berkurang.

Mari kita jelaskan ketergantungan ini. Semakin besar luas pelat, semakin banyak listrik yang dapat diserapnya sehingga kapasitas kapasitor akan semakin besar.

Ketika jarak antara pelat berkurang, pengaruh timbal balik (induksi) antara muatannya meningkat, yang memungkinkan untuk memusatkan lebih banyak listrik pada pelat dan, oleh karena itu, meningkatkan kapasitas kapasitor.

Jadi, jika kita ingin mendapatkan kapasitor yang besar, kita perlu mengambil pelat dengan area yang luas dan mengisolasinya dengan lapisan dielektrik yang tipis.

Rumusnya juga menunjukkan bahwa ketika konstanta dielektrik dielektrik meningkat, kapasitansi kapasitor meningkat.

Oleh karena itu, kapasitor dengan dimensi geometris yang sama tetapi mengandung dielektrik yang berbeda memiliki kapasitansi yang berbeda.

Jika, misalnya, kita mengambil kapasitor dengan dielektrik udara yang konstanta dielektriknya sama dengan satu, dan meletakkan mika dengan konstanta dielektrik 5 di antara pelatnya, maka kapasitansi kapasitor akan meningkat 5 kali lipat.

Oleh karena itu, bahan seperti mika, kertas yang diresapi parafin, dll., Yang konstanta dielektriknya jauh lebih tinggi daripada udara, digunakan sebagai dielektrik untuk mendapatkan kapasitas yang besar.

Dengan demikian, jenis kapasitor berikut dibedakan: udara, dielektrik padat, dan dielektrik cair.

Pengisian dan pengosongan kapasitor. Arus bias

Mari kita sertakan kapasitor kapasitansi konstan di sirkuit. Dengan menempatkan sakelar pada kontak a, kapasitor akan dimasukkan ke dalam rangkaian baterai. Jarum miliammeter pada saat kapasitor dihubungkan ke rangkaian akan menyimpang dan kemudian menjadi nol.

kapasitor DC

Oleh karena itu, arus listrik melewati rangkaian dengan arah tertentu. Jika sakelar sekarang ditempatkan pada kontak b (yaitu, tutup pelat), maka jarum miliammeter akan membelok ke arah lain dan kembali ke nol. Oleh karena itu, arus juga melewati rangkaian, tetapi dengan arah yang berbeda. Mari kita analisis fenomena ini.

Ketika kapasitor dihubungkan ke baterai, itu diisi, yaitu pelatnya menerima satu muatan positif dan muatan negatif lainnya. Penagihan berlanjut sampai perbedaan potensial antara pelat kapasitor tidak sama dengan tegangan baterai. Miliammeter yang dihubungkan secara seri di sirkuit menunjukkan arus pengisian kapasitor, yang berhenti segera setelah kapasitor diisi.

Ketika kapasitor dilepas dari baterai, kapasitor tetap terisi daya, dan beda potensial antara pelatnya sama dengan tegangan baterai.

Namun, segera setelah kapasitor ditutup, ia mulai melepaskan dan arus pelepasan melewati rangkaian, tetapi sudah berlawanan arah dengan arus muatan. Ini berlanjut sampai perbedaan potensial antara pelat menghilang, yaitu sampai kapasitor habis.

Oleh karena itu, jika kapasitor dimasukkan ke dalam rangkaian DC, arus akan mengalir di rangkaian hanya pada saat pengisian kapasitor, dan kedepannya tidak akan ada arus pada rangkaian tersebut, karena rangkaian akan diputus oleh dielektrik. dari kapasitor.

Itulah mengapa mereka mengatakan bahwa «Kapasitor tidak mengalirkan arus searah».

Besarnya listrik (Q) yang dapat dipusatkan pada pelat kapasitor, kapasitasnya (C) dan nilai tegangan yang disuplai ke kapasitor (U) dihubungkan dengan hubungan berikut: Q = CU.

Rumus ini menunjukkan bahwa semakin besar kapasitas kapasitor, semakin banyak listrik yang dapat dipusatkan padanya tanpa meningkatkan tegangan pada pelatnya secara signifikan.

Meningkatkan tegangan kapasitansi DC juga meningkatkan jumlah listrik yang disimpan oleh kapasitor. Namun, jika tegangan besar diterapkan pada pelat kapasitor, maka kapasitor dapat "rusak", yaitu, di bawah pengaruh tegangan ini, dielektrik akan runtuh di suatu tempat dan membiarkan arus melewatinya. Dalam hal ini, kapasitor akan berhenti berfungsi. Untuk menghindari kerusakan pada kapasitor, mereka menunjukkan nilai tegangan operasi yang diizinkan.

Fenomena polarisasi dielektrik

Mari kita menganalisis apa yang terjadi dalam dielektrik ketika kapasitor diisi dan dikosongkan dan mengapa nilai kapasitansi bergantung pada konstanta dielektrik?

Jawaban atas pertanyaan ini memberi kita teori elektronik tentang struktur materi.

Dalam dielektrik, seperti pada isolator lainnya, tidak ada elektron bebas. Dalam atom dielektrik, elektron terikat erat ke inti, oleh karena itu tegangan yang diterapkan pada pelat kapasitor tidak menyebabkan pergerakan arah elektron dalam dielektriknya, mis. arus listrik, seperti dalam kasus kabel.

Namun, di bawah aksi gaya medan listrik yang diciptakan oleh pelat bermuatan, elektron yang berputar di sekitar inti atom dipindahkan ke pelat kapasitor bermuatan positif. Pada saat yang sama, atom diregangkan ke arah garis medan Keadaan atom dielektrik ini disebut terpolarisasi, dan fenomena itu sendiri disebut polarisasi dielektrik.

Ketika kapasitor dilepaskan, keadaan terpolarisasi dari dielektrik rusak, yaitu perpindahan elektron relatif terhadap nukleus yang disebabkan oleh polarisasi menghilang dan atom kembali ke keadaan tidak terpolarisasi biasanya. Ditemukan bahwa keberadaan dielektrik melemahkan medan antara pelat kapasitor.

Dielektrik yang berbeda di bawah aksi medan listrik yang sama terpolarisasi ke derajat yang berbeda. Semakin mudah dielektrik terpolarisasi, semakin melemahkan medan. Polarisasi udara, misalnya, menghasilkan pelemahan medan yang lebih kecil daripada polarisasi dielektrik lainnya.

Tetapi melemahnya medan di antara pelat kapasitor memungkinkan Anda untuk memusatkan lebih banyak listrik Q pada tegangan yang sama U, yang pada gilirannya mengarah pada peningkatan kapasitas kapasitor, karena C = Q / U .

Jadi kami sampai pada kesimpulan - semakin besar konstanta dielektrik dielektrik, semakin besar kapasitas kapasitor yang mengandung dielektrik ini dalam komposisinya.

Perpindahan elektron dalam atom dielektrik, yang terjadi, seperti yang telah kami katakan, di bawah aksi gaya medan listrik, terbentuk di dielektrik, pada saat pertama aksi medan, sebuah medan listrik. saat ini Disebut arus defleksi... Dinamakan demikian karena tidak seperti arus konduksi pada kabel logam, arus perpindahan hanya dihasilkan oleh perpindahan elektron yang bergerak dalam atomnya.

Adanya arus panjar ini menyebabkan kapasitor yang terhubung ke sumber AC menjadi penghantarnya.

Lihat juga di topik ini: Medan Listrik dan Magnet: Apa Bedanya?

Karakteristik utama medan listrik dan karakteristik listrik utama medium (istilah dan definisi dasar)

Kekuatan medan listrik

Kuantitas vektor yang mencirikan aksi gaya medan listrik pada benda dan partikel bermuatan listrik, sama dengan batas rasio gaya yang dengannya medan listrik bekerja pada benda bermuatan titik stasioner yang diperkenalkan pada titik medan yang ditinjau ke muatan benda ini ketika muatan ini cenderung nol dan arahnya dianggap bertepatan dengan arah gaya yang bekerja pada benda titik bermuatan positif.

Garis medan listrik

Sebuah garis di setiap titik yang bersinggungan dengannya bertepatan dengan arah vektor kekuatan medan listrik.

Polarisasi listrik

Keadaan materi yang dicirikan oleh fakta bahwa momen listrik volume tertentu dari zat tersebut memiliki nilai selain nol.

Konduktivitas listrik

Sifat suatu zat untuk menghantarkan, di bawah pengaruh medan listrik yang tidak berubah waktu, arus listrik yang tidak berubah waktu.

Dielektrik

Suatu zat yang sifat listrik utamanya adalah kemampuan untuk mempolarisasi dalam medan listrik dan di mana keberadaan medan elektrostatik dalam jangka panjang dimungkinkan.

Zat konduktif

Suatu zat yang sifat listrik utamanya adalah konduktivitas listrik.

Direktur

Tubuh konduktif.

Bahan semikonduktor (semikonduktor)

suatu zat yang konduktivitas listriknya menengah antara zat konduktif dan dielektrik dan yang sifat-sifatnya yang membedakan adalah: ketergantungan konduktivitas listrik yang nyata pada suhu; perubahan konduktivitas listrik saat terkena medan listrik, cahaya dan faktor eksternal lainnya; ketergantungan yang signifikan dari konduktivitas listriknya pada jumlah dan sifat pengotor yang dimasukkan, yang memungkinkan untuk memperkuat dan mengoreksi arus listrik, serta mengubah beberapa jenis energi menjadi listrik.

Polarisasi (intensitas polarisasi)

Kuantitas vektor yang mencirikan derajat polarisasi listrik dielektrik, sama dengan batas rasio momen listrik volume tertentu dielektrik dengan volume ini ketika yang terakhir cenderung nol.

Konstanta listrik

Kuantitas skalar yang mencirikan medan listrik dalam rongga, sama dengan rasio total muatan listrik yang terkandung dalam permukaan tertutup tertentu dengan aliran vektor kekuatan medan listrik melalui permukaan ini dalam kehampaan.

Kerentanan dielektrik mutlak

Kuantitas skalar yang mencirikan sifat dielektrik yang terpolarisasi dalam massa listrik, sama dengan rasio besarnya polarisasi dengan besarnya kekuatan medan listrik.

Sensitivitas dielektrik

Rasio kerentanan dielektrik absolut pada titik dielektrik yang dipertimbangkan terhadap konstanta listrik.

Perpindahan listrik

Kuantitas vektor sama dengan jumlah geometris dari kekuatan medan listrik pada titik yang ditinjau dikalikan dengan konstanta listrik dan polarisasi pada titik yang sama.

Konstanta dielektrik mutlak

Kuantitas skalar yang mencirikan sifat listrik dielektrik dan sama dengan rasio besarnya perpindahan listrik dengan besarnya tegangan medan listrik.

Konstanta dielektrik

Rasio konstanta dielektrik absolut pada titik dielektrik yang dipertimbangkan terhadap konstanta listrik.

Saluran listrik perpindahan

Sebuah garis di setiap titik yang garis singgungnya berimpit dengan arah vektor perpindahan listrik.

induksi elektrostatik

Fenomena induksi muatan listrik pada benda konduktif di bawah pengaruh medan elektrostatik eksternal.

Medan listrik stasioner

Medan listrik dari arus listrik yang tidak berubah dalam waktu, asalkan konduktor pembawa arus tidak bergerak.

Potensi medan listrik

Medan listrik di mana rotor vektor kekuatan medan listrik di mana-mana sama dengan nol.

medan listrik Eddy

Medan listrik di mana rotor vektor intensitas tidak selalu sama dengan nol.

Perbedaan potensial listrik di dua titik

Kuantitas skalar yang mencirikan medan listrik potensial, sama dengan batas rasio kerja gaya medan ini, ketika benda titik bermuatan positif dipindahkan dari satu titik medan ke titik lainnya, ke muatan benda ini , ketika muatan benda cenderung nol (jika tidak: sama dengan garis integral dari kekuatan medan listrik dari satu titik ke titik lainnya).

Potensial listrik pada suatu titik tertentu

Perbedaan antara potensial listrik dari suatu titik tertentu dan titik lainnya, ditentukan tetapi dipilih secara sewenang-wenang.

Kapasitansi listrik dari konduktor tunggal

Kuantitas skalar yang mencirikan kemampuan konduktor untuk mengakumulasi muatan listrik, sama dengan rasio muatan konduktor terhadap potensinya, dengan asumsi bahwa semua konduktor lain berjarak tak terhingga dan potensi titik jauh tak terhingga diasumsikan nol.

Kapasitansi listrik antara dua konduktor tunggal

Nilai skalar sama dengan nilai mutlak perbandingan muatan listrik pada satu penghantar dengan perbedaan potensial listrik dari dua penghantar, asalkan penghantar-penghantar ini memiliki besaran yang sama tetapi berlawanan tanda dan semua penghantar lainnya berjarak tak terhingga.

Kondensator

Sistem dua konduktor (pelat) yang dipisahkan oleh dielektrik yang dirancang untuk menggunakan kapasitansi antara dua konduktor.

Kapasitansi kapasitor

Nilai absolut rasio muatan listrik pada salah satu pelat kapasitor dengan beda potensial di antara mereka, asalkan pelat memiliki muatan yang sama besarnya dan berlawanan tanda.

Kapasitansi antara dua konduktor dalam sistem kawat (kapasitansi parsial)

Nilai absolut rasio muatan listrik dari salah satu konduktor yang termasuk dalam sistem konduktor dengan perbedaan potensial antara itu dan konduktor lain, jika semua konduktor, kecuali yang terakhir, memiliki potensi yang sama; jika pentanahan termasuk dalam sistem kabel yang dipertimbangkan, maka potensinya dianggap nol.

Medan listrik pihak ketiga

Bidang yang disebabkan oleh proses termal, reaksi kimia, fenomena kontak, gaya mekanis, dan proses non-elektromagnetik (dalam pemeriksaan makroskopik) lainnya; ditandai dengan efek kuat pada partikel bermuatan dan benda yang terletak di area di mana medan ini ada.

Medan listrik terinduksi

Medan listrik yang diinduksi oleh medan magnet yang berubah terhadap waktu.

Gaya gerak listrik E. d. S.

Kuantitas skalar yang mencirikan kemampuan medan listrik eksternal dan terinduksi untuk menginduksi arus listrik yang sama dengan integral linier dari kekuatan medan listrik eksternal dan terinduksi antara dua titik di sepanjang jalur yang dipertimbangkan atau di sepanjang sirkuit tertutup yang dipertimbangkan.

Tegangan

Kuantitas skalar sama dengan integral linier dari kekuatan medan listrik yang dihasilkan (elektrostatik, stasioner, eksternal, induktif) antara dua titik di sepanjang jalur yang dipertimbangkan.