Тема: Електричне поле.

1.Фізична суть електричного поля.

2.Напруженість поля, потенціал і напруга.

3.Електрична ємність конденсатора

4. З’єднання конденсаторів.

1.Фізична суть електричного поля.

Загальне поняття про електричне поле склалося в результаті вивчення електричних явищ –притягування та відштовхування наелектризованих тіл (натиранням рідними матеріями).

Електричне поле виявляється в просторі зарядженими частинки та тіла з якими це поле пов’язано.

Головною властивістю електричного поля є силова дія на електричну частинку і ця дія пропорційна заряду частинки і не залежить від її швидкості.

Електричне поле нерухомих заряджених частинок при відсутності в них електричного струму називається електростатичним.

В результаті дослідів французький фізик Кулон в 1785р. встановив закон , що визначає силу взаємодії двох наелектризованих тіл.

Закон Кулона

Сила взаємодії двох точкових заряджених тіл прямо пропорційна добутку зарядів цих тіл і обернено пропорційно квадрату відстані між ними.

F_e=Q₁,Q₂/ 4 π ε ε_оr²

F_e-Електрична сила , Н.

Q1,Q2- електричні заряди, Кл

r –відстань між зарядженими частинами, м

ε_о – електрична постійна =8,85 10^-12 Ф/м

ε - відносна діелектрична проникність середовища

Сила взаємодії зарядів залежить від середовища, в якому вони перебувають. Цю залежність враховує абсолютна діелектрична проникність середовища ε_абc = ε ε_о

2.Напруженість поля, потенціал і напруга.

Силовою характеристикою електричного поля являється напруженість електричного поля.

Напруженість електричного поля - векторна величина , чисельно рівна відношенню сили, що діє на позитивно заряджену частинку, до його заряду.

Е = F_e /Q₂

Е- напруженість електричного поля , В/м

Напруженість електричного поля в любій точці

E = Q/(4πε_оr²)

Для наочного зображення електричного поля проводять лінії напруженості ( силові лінії що виходять із додатного заряду).

Електричне поле називають однорідним , якщо у всіх точках напруженість поля однакова по величині и напрямку.

Вільна частинка з додатнім зарядом Q в електричному полі буде переміщуватись в напрямку дії на неї електричної сили F_e і при переміщенні частинки з точки 1 в точку 2 виконується робота

А_1,2 =F_e l

Відношення роботи сил електричного поля по переміщенню електрично-зарядженої частинки між двома точками до величини заряду частинки називається електричною напругою між цими точками.

U = A_1,2 /Q

U-напруга електрична, В

А_1,2 –робота, Дж.

Електричний потенціал - використовується для розрахунків і є також характеристика електричного поля .

Відношення потенціальної енергії зарядженої частинки , що знаходиться в деякій точці електричного поля до величини її заряду виражає потенціал поля в цій точці

φ₁ = А₁/Q                     φ₂ = A₂/Q                 U_1,2 =φ₁ - φ₂

3.Електрична ємність конденсатора.

Електричний конденсатор – це система, що складається із двох провідників (обкладок, пластин), розділених діелектриком.

Конденсатори мають властивість накопичувати на своїх обмотках електричні заряди, що рівні по величині, але протилежні за знаками.

Електричний заряд Q кожної обмотки пропорційний напрузі U між ними: Q = C U.

Величину С, яка дорівнює відношенню заряду одної із обмоток конденсатора до напруги між ними, називають електричною ємністю конденсатораі вимірюють у фарадах (Ф).

Ємність конденсатора залежить від геометричних розмірів, форми, взаємного розміщення та відстані між обмотками, а також від властивостей діалектрика. Найбільш поширеним в техніці є плоский конденсатор.

Ємність плоского конденсатора С = e₀ eS/d = e_аS/d,

де S – площа кожної обмотки, пластини, м² ; d – відстань між обмотками, м.

Номінальну ємність вказують у вигляді конкретного значення, вираженого у пікофарадах (пФ) або мікрофарадах (мФ) (1 мкФ = 10⁶ пФ).

Літерне умовне позначення ємності

1мкФ мікрофарад=10 ^-6 Ф - позначається літерою μ (наприклад 1μ5 = 1,5 мкФ)

1нФ нанофарад=10 ^-9 Ф - позначається літерою n (наприклад 150n = 150 нФ  якщо n150= 0,15 нФ);

1рФ пікофарад =10 ^-12 Ф - позначається літерою р (наприклад 47р =  47пФ  якщо 4р7= 4,7 пФ)

Числове умовне позначення ємності

684 = 68 значення ємності, 4 множник степеня = 68 *10⁴ пФ = 680000 пФ =0,68 мкФ

105 = 10 значення ємності, 5 множник степеня = 10 *10⁵ пФ = 1000000 пФ =1мкФ

333 = 33 значення ємності, 3 множник степеня = 33 *10³ пФ = 33000 пФ = 33нФ

Кодоване значення ємності містить 3-4 знаки. Літера коду позначає десяткову крапку. Номінальну ємність 0…999пФ виражають в пікофарадах з позначенням літерою «p» (наприклад, 150p); від 1000 до 999999 пФ — в нанофарадах з позначенням літерою «n» (наприклад, n150); від 1 до 999 мкФ — в мікрофарадах з позначенням літерою «μ» (наприклад, 1μ5); від 1000 до 999999 мкФ — в міліфарадах з позначенням літерою «m» (наприклад m100); більше цього значення — у фарадах з позначенням літерою «F».

Після значення номінальної ємності конденсатора вказується кодова літера відхилення ємності, за нею — кодова літера групи ТКЄ. Так, 33pKL означає, що конденсатор має ємність 33 пФ з допуском ±10 % та температурною нестабільністю — 75·10⁻⁶K⁻¹. Далі може бути вказана кодова літера номінальної напруги.

Напруга електричного поля плоского конденсатора Е = U /d  де U – напруга, прикладена до зажимів конденсатора, В.

Напруга поля при якій відбувається пробій діалектрика, називається електричною міцністю діалектрика Е_пр, А напругу при пробої – пробивною напругою U_пр, причому  Е_пр= U_пр/ d,  де d – товщина пластини.

Номінальна напруга — значення електричної напруги, яке позначається на конденсаторі, при якому він може працювати у заданих умовах під час строку служби із зберіганням параметрів у допустимих межах. Номінальна напруга залежить від конструкції конденсатора і властивостей застосованих матеріалів. При експлуатації напруга на конденсаторі не повинна перевищувати допустимої. Для більшості типів конденсаторів із збільшенням температури допустима напруга знижується. Напругу, при якій впродовж 1-5 с виникає пробій, називають пробивною. Допустиму робочу напругу обирають у 3-10 разів меншою за пробивну.

Кодове позначення номінальної напруги.

 Класифікація конденсаторів в залежності від діалектрика:

- Вакуумні конденсатори (обкладки без діелектрика знаходяться у вакуумі)

- Конденсатори з газоподібним діелектриком;

- Конденсатори з рідким діелектриком;

- Конденсатори з твердим неорганічним діелектриком: скляні, слюдяні, керамічні, тонкошарові із неорганічних плівок (К10, К15, К26, К32,);

- Конденсатори з твердим органічним діелектриком: паперові, металопаперові, плівкові, комбіновані (К41, К42, К71, К72);

- Електролітичні та оксидо-напівпровідникові конденсатори

Конденсатори розрізняються за можливістю зміни своєї ємності:

- Постійні конденсатори — основний клас конденсаторів, який має сталу ємність ;

- Змінні конденсатори — конденсатори, які дозволяють зміни ємності в процесі функціонування апаратури. Керування ємністю може відбуватися механічно, електричною напругою (варіконди) та температурою (термоконденсатори). Використовуються, наприклад, у радіоприймачах для налаштування частоти резонансного контуру.

- Конденсатори підлаштування — конденсатори, ємність яких змінюється при разовому чи періодичному регулюванню і не змінюється в процесі функціонування апаратури. Їх використовують для підлаштування та вирівнювання початкових ємностей сполучених контурів, для періодичного підлаштування та регулювання ланцюгів схем, де потрібна незначна зміна ємності.

4. З’єднання конденсаторів.

Конденсатори можуть бути з’єднані послідовно, паралельно та змішано (послідовно – паралельно).

Послідовне з’єднання. При такому з’єднанні на пластинах всіх конденсаторів будуть однакові по величині заряди, тобто Q₁ = Q₂ = Q₃ = …=Q_n=Q.

Напруга на конденсаторах буде різна, так як вона залежить від їх ломкостей: U₁ = Q₁ / C_1, U₂ = Q₂ / C_{2, …,} U_n = Q_n/ C_n.

Загальна напруга U_заг = U₁ + U₂ + … + U_n.

Загальна, або еквівалентна, ємність С_екв = 1/C₁ + 1/C₂ + … + 1/C_n

Еквівалентна, ємність для двох послідовно включених конденсаторів С₁₂ = С₁ С₂ / (С₁ + С₂).

Паралельне з’єднання.

Заряди на обкладенках окремих конденсаторів при різній їх ємності Q₁ = U C_{1, Q2} = U C₂ , …, Q_n = U C_n.

 Загальна напруга U_заг = U₁ = U₂ = … = U_n.

Заряд, отриманий всіма паралельно з’єднаними конденсаторами, Q = Q₁ + Q₂ + …+ Q_n.

 Загальна, або еквівалентна, ємність С_екв= C₁ + C₂ + … + C_n.

Змішане  з’єднання конденсаторів

Розрахунок змішаного  з’єднання конденсаторів здійснюється почереговою заміною двох конденсаторів одним еквівалентним до тих пір поки не залишиться один конденсатор який і буде мати еквіванентну емність змішаного  з’єднання. 

	Для розрахунку схеми необхідно знайти в схемі два конденсатори які з’єднанні послідовно чи паралельно та замінити їх одним еквівалентним за відповідними формулами паралельного чи послідовного з’єднання конденсаторів.

Енергія електричного поля 

При заряджанні конденсатора енергія накопичується у ви­гляді енергії електричного поля й може бути повернена джерелу при перетворенні на інший вид енергії.Заряд конденсатора утворюється перенесенням заряджених частинок з однієї обкладки на іншу під дією зовнішнього джерела енергії. Робота, яка виконується при перенесенні одиниці заряду, чисельно дорівнює напрузі між обкладками. Якби напруга в процесі зарядження не змінювалась, то енергію можна було б визначити добутком напруги і заряду. Проте в процесі накопичування заряду зростає й напруга, тому при визначенні енергії, витраченої на утворення заряду, треба врахувати залежність між - напругою і зарядом . Усю роботу, витрачену на утворення заряду, можна визначити, підсумовуючи елементи площі в межах зміни заряду від 0 до Q і на­пруги від 0 до і/о = U, де U — напруга на затискачах джерела енергії.  W = C U² / 2 (Дж)