電界、静電誘導、静電容量、コンデンサ

電界の概念

電場の力は、電荷の周囲の空間に作用することが知られています。帯電した物体に関する数多くの実験により、これが完全に確認されています。帯電した物体の周囲の空間は、電気力が作用する電場です。

場の力の方向は電気力線と呼ばれます。したがって、電場は力線の集合であることが一般に受け入れられています。

フィールド ラインには特定のプロパティがあります。

• 力線は常にプラスに帯電した物体から出て、マイナスに帯電した物体に入ります。

• それらは、帯電した物体の表面に垂直なあらゆる方向に出て、それに垂直に入ります。

• 等しく帯電した 2 つの物体の力線は互いに反発するように見え、反対に帯電した物体は引き付けられるように見えます。

電力力線は、帯電した物体の表面で切れるため、常に開いた状態になります。電気的に帯電した物体は相互作用します。反対に帯電した物体は引き付けられ、同様に反発します。

電荷 q1 および q2 を持つ帯電物体 (粒子) は、力 F によって相互作用します。力 F はベクトル量であり、ニュートン (N) 単位で測定されます。反対の電荷を持つ物体は互いに引き付けられ、同様の電荷を持つ物体は互いに反発します。

引力または斥力は、物体の電荷の大きさと物体間の距離によって決まります。

帯電した物体の直線寸法が物体間の距離 r に比べて小さい場合、その物体は点と呼ばれます。それらの相互作用力 F の大きさは、電荷 q1 と q2 の大きさ、それらの間の距離 r、および電荷が存在する環境に依存します。

物体間の空間に空気がなく、他の誘電体、つまり電気の不導体がある場合、物体間の相互作用の力は減少します。

誘電体の性質を特徴づけ、特定の誘電体を空気に置き換えた場合に電荷間の相互作用の力が何倍増加するかを示す値を、特定の誘電体の比誘電率と呼びます。

誘電率は、空気とガスの場合は - 1、空気およびガスの場合は - 1、およびエボナイトの場合 — 2 — 4;マイカ5〜8の場合。オイルの場合 2 - 5;紙の場合 2 — 2.5;パラフィンの場合 — 2 — 2.6。

2 つの帯電した物体の静電場: a — ターラは同じ名前で帯電する、b — 物体は異なるように帯電する

静電誘導

周囲の物体から隔離された球形の導電体 A にマイナスの電荷が与えられると、つまり内部に過剰な電子が生成されると、この電荷は体の表面に均一に分布します。これは、電子が互いに反発し合い、物体の表面に到達する傾向があるためです。

同様に周囲の物体から隔離された、帯電していない物体 B を物体 A のフィールド内に置きます。すると、電荷が物体 B の表面に現れ、物体 A に面した側には、物体 A の電荷とは反対の電荷が現れます (正）、そして反対側 - 体Aの電荷と同じ名前の電荷（負）。このように分配された電荷は、物体 A のフィールド内にある間、物体 B の表面に残ります。物体 B がフィールドから除去されるか、物体 A が除去されると、物体 B の表面の電荷は中和されます。このように離れた場所で帯電する方法を静電誘導または影響による帯電といいます。

静電誘導現象

このような物体の帯電状態は、もっぱら物体 A によって生成される電場の力の作用によって強制され維持されることは明らかです。

物体 A がプラスに帯電しているときに同じことを行うと、人の手からの自由電子が物体 B に殺到し、そのプラスの電荷が中和され、物体 B はマイナスに帯電します。

物体Aの帯電度が高いほど、つまりその電位が大きいほど、静電誘導体Bによりより大きな電位を帯電させることができます。

したがって、静電誘導現象により、特定の条件下では蓄積が可能になるという結論に達しました。 電気 導電体の表面に。

どのような物体も、特定の限界、つまり特定の電位に帯電する可能性があります。限界を超えて電位が上昇すると、物体が周囲の大気中に放出されます。体が異なれば、同じ電位にするために必要な電気量も異なります。言い換えれば、異なる物体には異なる量の電気が含まれており、異なる電気容量（または単に容量）があります。

電気容量とは、身体の電位を特定の値まで増加させながら、特定の量の電気を保持できる身体の能力です。体の表面積が大きいほど、体が保持できる電荷は多くなります。

本体がボールの形状をしている場合、その容量はボールの半径に直接比例します。静電容量はファラッド単位で測定されます。

ファラダは、ペンダントに電気を受け取った後、その電位が 1 ボルト増加するような体の容量です。1 ファラド = 1,000,000 マイクロファラッドです。

電気容量、つまり導電体自体が電荷を蓄積する性質は、電気工学で広く使用されています。デバイスはこのプロパティに基づいています 電気コンデンサ.

コンデンサの静電容量

コンデンサは、空気層または別の誘電体（マイカ、紙など）で互いに絶縁された2枚の金属板（プレート）で構成されています。

プレートの一方に正の電荷が与えられ、もう一方のプレートに負の電荷が与えられる、つまり反対に帯電すると、プレートの電荷は相互に引き付けられてプレート上に保持されます。これにより、プレートを互いに離れて充電する場合よりも、はるかに多くの電気をプレートに集中させることができます。

したがって、コンデンサはプレートに大量の電気を蓄えるデバイスとして機能します。言い換えれば、コンデンサは電気エネルギーの貯蔵庫です。

コンデンサの静電容量は次のようになります。

C = eS / 4pl

ここで、C は静電容量です。 e は誘電体の誘電率です。 S - 1枚のプレートの面積（cm2）、NS - 3.14に等しい定数（pi）。 l — プレート間の距離（cm）。

この式から、プレートの面積が増加するとコンデンサの容量が増加し、プレート間の距離が増加するとコンデンサの容量が減少することがわかります。

この依存関係について説明しましょう。プレートの面積が大きいほど、より多くの電気を吸収できるため、コンデンサの容量も大きくなります。

プレート間の距離が減少すると、それらの電荷間の相互影響（誘導）が増加し、より多くの電気をプレートに集中させることができるため、コンデンサの容量が増加します。

したがって、大きなコンデンサを取得したい場合は、大きな面積のプレートを使用し、それらを薄い誘電体層で絶縁する必要があります。

この式は、誘電体の誘電率が増加すると、コンデンサの静電容量が増加することも示しています。

したがって、幾何学的寸法は同じでも、異なる誘電体を含むコンデンサは、異なる静電容量を持ちます。

たとえば、誘電率が 1 に等しい空気誘電体を備えたコンデンサを使用し、そのプレート間に誘電率 5 のマイカを置くと、コンデンサの静電容量は 5 倍に増加します。

そのため、大きな容量を得るために、空気よりも誘電率がはるかに高いマイカやパラフィンを含浸させた紙などの材料が誘電体として使用されます。

したがって、コンデンサのタイプは空気、固体誘電体、液体誘電体に区別されます。

コンデンサーの充電と放電。バイアス電流

回路に一定の静電容量のコンデンサを含めてみましょう。スイッチをa接点にすると、バッテリー回路にコンデンサが組み込まれます。コンデンサを回路に接続した瞬間のミリ電流計の針はずれてゼロになります。

直流コンデンサ

したがって、回路にはある方向に電流が流れます。ここでスイッチが接点 b に置かれると (つまり、プレートが閉じると)、ミリ電流計の針は反対方向に偏向し、ゼロに戻ります。したがって、電流も回路を通過しましたが、方向は異なりました。この現象を分析してみましょう。

コンデンサがバッテリーに接続されると、コンデンサは充電されます。つまり、コンデンサのプレートは一方の正電荷ともう一方の負電荷を受け取ります。請求は次の期間まで継続されます 電位差 コンデンサプレート間の電圧はバッテリー電圧と等しくありません。回路内で直列に接続されたミリ電流計はコンデンサの充電電流を示し、コンデンサが充電されるとすぐに停止します。

コンデンサがバッテリから切り離されても、コンデンサは充電されたままであり、その極板間の電位差はバッテリ電圧に等しかった。

しかし、コンデンサが閉じるとすぐに放電が始まり、放電電流が回路を流れましたが、すでに充電電流とは反対の方向でした。これは、プレート間の電位差がなくなるまで、つまりコンデンサが放電するまで続きます。

したがって、直流回路にコンデンサが含まれていると、コンデンサの充電時のみ回路に電流が流れ、将来的には誘電体によって回路が破壊されるため、回路に電流が流れなくなります。コンデンサーの。

「コンデンサは直流を流さない」と言われるのはこのためです。

コンデンサのプレートに集中できる電気量 (Q)、その容量 (C)、およびコンデンサに供給される電圧の値 (U) は、次の関係によって関係付けられます: Q = CU。

この式は、コンデンサの容量が大きいほど、プレート上の電圧を大幅に増加させることなく、より多くの電気をコンデンサに集中させることができることを示しています。

DC 容量電圧が増加すると、コンデンサに蓄えられる電気量も増加します。ただし、コンデンサのプレートに大きな電圧が印加されると、コンデンサが「破損」する可能性があります。つまり、この電圧の作用により、誘電体がどこかで崩壊し、そこに電流が流れます。この場合、コンデンサは機能しなくなります。コンデンサの損傷を避けるために、許容動作電圧の値が示されています。

誘電分極現象

ここで、コンデンサが充放電されるときに誘電体内で何が起こるのか、そしてなぜ静電容量の値が誘電率に依存するのかを分析してみましょう。

この質問に対する答えは、物質の構造に関する電子理論を与えてくれます。

他の絶縁体と同様、誘電体にも自由電子は存在しません。誘電体の原子では、電子はコアにしっかりと結合しているため、コンデンサのプレートに印加された電圧は、誘電体中の電子の方向性の移動を引き起こしません。電線の場合と同様に、電流。

しかし、帯電したプレートによって生成される電場の力の作用により、原子核の周りを回転する電子は、正に帯電したコンデンサープレートに向かって移動します。同時に原子は力線の方向に引き伸ばされますが、この誘電原子の状態を分極といい、この現象自体を誘電分極といいます。

コンデンサが放電すると、誘電体の分極状態が壊れます。つまり、分極によって引き起こされる原子核に対する電子の移動がなくなり、原子は通常の非分極状態に戻ります。誘電体の存在により、コンデンサのプレート間の電界が弱まることが判明しました。

同じ電界の作用下にある異なる誘電体は、異なる程度に分極します。誘電体が分極しやすいほど、磁場は弱められます。たとえば、空気の分極は、他の誘電体の分極よりも場の弱まりが少なくなります。

しかし、コンデンサのプレート間の電界が弱まると、同じ電圧Uでより多くの電気Qをコンデンサに集中させることができ、C = Q / Uであるため、コンデンサの容量が増加します。 。

そこで私たちは、誘電体の誘電率が大きいほど、組成にこの誘電体を含むコンデンサの容量が大きくなるという結論に達しました。

すでに述べたように、電界の力の作用下で起こる誘電体の原子内の電子の移動は、電界の作用の最初の瞬間に誘電体内に形成され、電気的な偏向電流と呼ばれる...金属線の伝導電流とは異なり、変位電流は原子内を移動する電子の変位によってのみ発生するため、この名前が付けられています。

このバイアス電流の存在により、AC 電源に接続されたコンデンサがその導体になります。

このトピックについては、以下も参照してください。 電界と磁界: 違いは何ですか?

電場の主な特性と媒体の主な電気的特性（基本用語と定義）

電界強度

帯電した物体および粒子に対する電場の力の作用を特徴付けるベクトル量。場の考慮された点に導入された静止した点荷電物体に電場が作用する力の比率の限界に等しい。この物体の電荷がゼロになる傾向があり、その方向が正に帯電した点物体に作用する力の方向と一致すると仮定されるときのこの物体の電荷。

電気力線

接線が電界強度ベクトルの方向と一致する任意の点の線。

電気分極

物質の所定の体積の電気モーメントがゼロ以外の値を持つという事実によって特徴付けられる物質の状態。

電気伝導性

時間の経過とともに変化しない電場の影響下で、時間の経過とともに変化しない電流を伝導する物質の性質。

誘電

主な電気的特性が電界中で分極する能力であり、静電界が長期間存在することが可能な物質。

導電性物質

主な電気特性が導電性である物質。

監督

導電性ボディ。

半導体物質（半導体）

導電率が導電性物質と誘電体の中間である物質。その際立った特性は次のとおりです。 導電率の温度に対する顕著な依存性。電場、光、その他の外部要因にさらされたときの電気伝導率の変化。導電率は導入される不純物の量と性質に大きく依存し、これにより電流の増幅と補正が可能になり、またある種のエネルギーを電気に変換することが可能になります。

偏光（偏光強度）

誘電体の電気分極の度合いを特徴付けるベクトル量で、誘電体の特定の体積がゼロになる傾向にあるときの、この体積に対する誘電体の電気モーメントの比率の限界に等しい。

電気定数

空洞内の電場を特徴付けるスカラー量。特定の閉曲面に含まれる総電荷と、空隙内のこの曲面を通る電場強度ベクトルの流れとの比に等しい。

絶対誘電感受率

電気質量内で分極される誘電体の特性を特徴付けるスカラー量。分極の大きさと電界強度の大きさの比に等しい。

誘電感度

誘電体の考慮点における絶対誘電感受率と電気定数の比。

電気変位

検討中の点の電界強度に電気定数と同じ点の分極を乗じた幾何学和に等しいベクトル量。

絶対誘電率

誘電体の電気的特性を特徴付けるスカラー量で、電界電圧の大きさに対する電気変位の大きさの比に等しい。

誘電率

誘電体の考慮点における絶対誘電率と電気定数の比。

変位電力線

各点における接線が電気変位ベクトルの方向と一致する線。

静電誘導

外部静電場の影響下で導電体上に電荷が誘導される現象。

定常電界

電流が流れる導体が静止している場合、時間の経過とともに変化しない電流の電界。

潜在電場

電界強度ベクトルの回転子がどこでもゼロに等しい電界。

渦電場

強度ベクトルの回転子が常にゼロに等しくない電場。

2点の電位差

正に帯電した点物体が場の特定の点から別の点に移動するとき、この物体の電荷に対する、この電場の力の仕事の比率の限界に等しい、ポテンシャル電場を特徴付けるスカラー量。 、物体の電荷がゼロになる傾向があるとき (そうでない場合: ある点から別の点までの電界強度の線積分に等しい)。

特定の点の電位

特定の点と、指定されているが任意に選択された別の点の電位間の差。

単一導体の電気容量

導体の電荷を蓄積する能力を特徴付けるスカラー量。他のすべての導体が無限に離れており、無限に離れた点の電位がゼロであると仮定した場合、導体の電荷とその電位の比に等しい。

2つの単導体間の電気容量

2 本の導体の電位差に対する 1 本の導体の電荷の比の絶対値に等しいスカラー値。ただし、これらの導体の大きさは同じで符号が逆で、他のすべての導体が無限に離れている場合に限ります。

コンデンサー

2 つの導体間の静電容量を使用するように設計された、誘電体によって分離された 2 つの導体 (プレート) からなるシステム。

コンデンサの静電容量

コンデンサプレートの一方の電荷とプレート間の電位差の比の絶対値。ただし、プレートが同じ大きさで符号が反対の電荷を持っている場合に限ります。

ワイヤシステムにおける 2 つの導体間の静電容量 (部分静電容量)

導体システムに含まれる導体の 1 つの電荷と、他の導体との間の電位差の比の絶対値 (後者を除くすべての導体が同じ電位である場合)。考慮されている配線システムにアースが含まれている場合、その電位はゼロとみなされます。

サードパーティの電界

熱プロセス、化学反応、接触現象、機械的力、およびその他の非電磁（巨視的検査における）プロセスによって引き起こされる場。このフィールドが存在する領域にある荷電粒子と物体に対する強い影響を特徴とします。

誘導電場

時間とともに変化する磁場によって誘導される電場。

起電力 E.d.S.

考慮された経路に沿った、または考慮された閉回路に沿った 2 点間の外部および誘導電場の強さの線形積分に等しい電流を誘導する、外部電場および誘導電場の能力を特徴付けるスカラー量。

電圧

考慮されている経路に沿った 2 点間に生じる電場 (静電、定常、外部、誘導) の強度の線形積分に等しいスカラー量。