电场、静电感应、电容和电容器

电场概念

已知电场力作用于电荷周围的空间。对带电体的大量实验充分证实了这一点。任何带电体周围的空间都是电场，电力在其中起作用。

场力的方向称为电场线。因此，一般认为电场是力线的集合。

场线具有某些属性：

• 力线总是离开带正电的物体并进入带负电的物体；

• 它们从垂直于带电体表面的所有方向射出并垂直进入；

• 两个带等电荷的物体的力线似乎相互排斥，而带相反电荷的物体相互吸引。

电场力线在带电体表面断裂时始终是开放的。带电物体相互作用：带相反电荷的物体相互吸引，同样排斥。

带电荷 q1 和 q2 的带电物体（粒子）以力 F 相互作用，力 F 是矢量，以牛顿 (N) 为单位测量。带相反电荷的物体相互吸引，带相似电荷的物体相互排斥。

吸引力或排斥力取决于物体上电荷的大小和它们之间的距离。

如果带电物体的线性尺寸与物体之间的距离 r 相比较小，则带电物体称为点。它们相互作用力F的大小取决于电荷q1和q2的大小、它们与电荷所在环境的距离r。

如果物体之间的空间中没有空气，而是其他一些电介质，即电的非导体，那么物体之间的相互作用力就会减小。

表征电介质特性并显示如果将给定电介质替换为空气，电荷之间的相互作用力将增加多少倍的值称为给定电介质的相对介电常数。

介电常数等于： 对于空气和气体——1；对于硬橡胶 — 2 — 4；对于云母 5—8；对于油 2 - 5;纸 2 — 2.5；对于石蜡 — 2 — 2.6。

两个带电体的静电场：a - tala 同名带电，b - 不同带电体

静电感应

如果给一个与周围物体隔绝的球形导电体A带上负电荷，即在其中产生过剩的电子，那么这个电荷就会均匀分布在物体表面。这是因为电子相互排斥，往往会来到身体的表面。

我们把一个不带电的物体B，也与周围的物体隔离开来，放在物体A的场中，那么物体B的表面就会出现电荷，而在面对物体A的一侧，会出现与物体A所带电荷相反的电荷（正 ), 在另一侧 - 与身体 A 的电荷同名的电荷 (负).如此分配的电荷保留在物体 B 的表面上，而物体 B 在物体 A 的场中。如果物体 B 从场中移除或物体 A 移除，则物体 B 表面的电荷被中和。这种远距离起电的方法称为静电感应或影响起电。

静电感应现象

很明显，身体的这种带电状态完全是由身体 A 产生的电场力的作用强制和维持的。

如果我们在A体带正电时也这样做，那么人手上的自由电子就会冲向B体，中和它的正电荷，B体就会带负电。

物体A的带电程度越高，即其电势越大，则物体B通过静电感应带电的电势就越大。

因此我们得出结论，静电感应现象使得在一定条件下有可能积累 电 在导电体的表面。

任何物体都可以充电到一定的限度，即达到一定的电势；超过极限的电位增加会导致身体被喷射到周围的大气中。不同的身体需要不同的电量才能使它们达到相同的电位。换句话说，不同的物体所含的电量不同，也就是说，它们具有不同的电容量（或简称容量）。

电容量是物体在将其电位增加到一定值的同时容纳一定量的电的能力。身体的表面积越大，身体能容纳的电荷就越多。

如果物体具有球的形状，那么它的容量与球的半径成正比。电容以法拉为单位测量。

法拉达是这样一个物体的容量，在吊坠充电后，其电势增加一伏……1 法拉 = 1,000,000 微法拉。

电容量，即导电体自身积累电荷的性质，在电气工程中应用广泛。该设备基于此属性 电容器.

电容器的容量

电容器由两个金属板（极板）组成，它们之间用空气层或另一种电介质（云母、纸等）相互隔离。

如果其中一个板带正电荷而另一个板带负电荷，也就是说，它们带相反的电荷，则板的电荷相互吸引，将保留在板上。与在彼此相距一定距离的地方充电相比，这可以让更多的电力集中在板上。

因此，电容器可以用作在其极板中存储大量电量的设备。换句话说，电容器是电能的储存器。

电容器的电容等于：

C = eS / 4pl

其中 C 是电容； e 是电介质的介电常数； S——一块板的面积，cm2，NS——常数（pi）等于3.14； l——板间距离，cm。

从这个公式可以看出，随着极板面积的增大，电容器的容量增大，随着它们之间距离的增大，减小。

让我们解释一下这种依赖关系。极板的面积越大，它们能吸收的电能就越多，因此电容器的容量也就越大。

随着极板之间的距离减小，它们的电荷之间的相互影响（感应）增加，这使得可以将更多的电集中在极板上，从而增加电容器的容量。

因此，如果我们想得到一个大电容器，我们需要采用大面积的极板并用薄介电层将它们绝缘。

该公式还表明，随着电介质的介电常数增加，电容器的电容增加。

因此，具有相同几何尺寸但包含不同电介质的电容器具有不同的电容。

例如，如果我们采用介电常数等于 1 的空气电介质的电容器，并在其极板之间放置介电常数为 5 的云母，则电容器的电容将增加 5 倍。

因此，采用介电常数远高于空气的云母、石蜡浸渍纸等材料作为电介质，以获得大容量。

因此，区分了以下类型的电容器：空气、固体电介质和液体电介质。

对电容器进行充电和放电。偏置电流

让我们在电路中加入一个电容恒定的电容器。通过将开关置于触点 a 上，电容器将包含在电池电路中。电容接入电路的瞬间，毫安表的指针会出现偏移，然后归零。

直流电容

因此，电流按一定方向通过电路。如果现在将开关置于触点 b 上（即关闭板），则毫安表针将向另一个方向偏转并返回零。因此，电流也通过电路，但方向不同。我们来分析一下这个现象。

当电容器连接到电池时，它被充电，也就是说，它的极板接受一个正电荷和另一个负电荷。计费持续到 潜在差异 电容器极板之间不等于电池电压。电路中串联一个毫安表指示电容器的充电电流，电容器充电后立即停止。

当电容器与电池断开连接时，它仍保持充电状态，其极板之间的电位差等于电池电压。

然而，电容器一闭合，就开始放电，放电电流通过电路，但已经与充电电流方向相反。这一直持续到极板之间的电位差消失，即直到电容器放电。

因此，如果电容器包含在直流电路中，电流只会在电容器充电时在电路中流动，以后电路中将没有电流，因为电路会被电介质击穿的电容器。

这就是为什么他们说“电容器不通过直流电”。

可以集中在电容器极板上的电量 (Q)、电容器的容量 (C) 和提供给电容器的电压值 (U) 之间存在以下关系：Q = CU。

该公式表明，电容器的容量越大，可以在其上集中更多的电力，而不会显着增加其极板上的电压。

增加直流电容电压也会增加电容器存储的电量。但是，如果在电容器的极板上施加一个很大的电压，那么电容器就会被“击穿”，即在这个电压的作用下，电介质会在某个地方塌陷，让电流通过。在这种情况下，电容器将停止工作。为避免损坏电容器，它们指示了允许的工作电压值。

介电极化现象

现在让我们分析当电容器充电和放电时电介质中会发生什么，以及为什么电容值取决于介电常数？

这个问题的答案给了我们物质结构的电子理论。

在电介质中，就像在任何绝缘体中一样，没有自由电子。在电介质的原子中，电子与核心紧密结合，因此施加到电容器极板上的电压不会导致电子在其电介质中的定向运动，即电流，就像电线一样。

然而，在带电板产生的电场力的作用下，围绕原子核旋转的电子向带正电的电容器板移动。同时，原子在场线方向上被拉伸，介电原子的这种状态称为极化，这种现象本身称为介电极化。

当电容器放电时，电介质的极化状态被打破，即由极化引起的电子相对于原子核的位移消失，原子恢复到它们通常的非极化状态。发现电介质的存在削弱了电容器极板之间的场。

不同的电介质在同一电场作用下发生不同程度的极化。电介质越容易极化，就越会削弱电场。例如，空气的极化导致比任何其他电介质的极化更少的场减弱。

但是电容器极板之间场的减弱允许您在相同电压 U 下将更多的电量 Q 集中在它们上，这反过来又导致电容器容量增加，因为 C = Q / U .

所以我们得出结论——电介质的介电常数越大，成分中包含这种电介质的电容器的容量就越大。

正如我们已经说过的，在电场力的作用下发生的电介质原子中电子的位移，在电场作用的第一时刻在电介质中形成，电current . 称为偏转电流... 之所以这样命名是因为与金属导线中的传导电流不同，位移电流仅由电子在其原子中移动的位移产生。

此偏置电流的存在导致连接到交流电源的电容器成为其导体。

另请参阅此主题： 电场和磁场：有什么区别？

电场的主要特性和介质的主要电气特性（基本术语和定义）

电场强度

表征电场对带电体和粒子的力作用的矢量，等于电场作用于在考虑的场点处引入的固定点带电体的力与电场的比值的极限当此电荷趋于零时该物体的电荷，其方向假定与作用在带正电的点物体上的力的方向一致。

电场线

任意一点的线，其切线与电场强度矢量的方向重合。

电极化

物质的状态，其特征在于该物质的给定体积的电矩具有非零值。

导电率

物质在不随时间变化的电场的影响下传导不随时间变化的电流的特性。

电介质

一种物质，其主要电学性质是在电场中能够极化，并可能长期存在静电场。

导电物质

主要电性能为导电性的物质。

导演

导电体。

半导体物质（半导体）

一种导电性介于导电物质和电介质之间的物质，其显着特性是： 导电性对温度的显着依赖性；当暴露于电场、光和其他外部因素时，电导率会发生变化；它的电导率对引入杂质的数量和性质有很大的依赖性，这使得放大和校正电流以及将某些类型的能量转化为电能成为可能。

偏振（偏振强度）

表征电介质电极化程度的矢量，等于电介质一定体积的电矩与该体积趋于零时的电矩之比的极限。

电常数

表征空腔内电场的标量，等于某一封闭曲面所含的总电荷与空腔中通过该曲面的电场强度矢量的流量之比。

绝对介电敏感性

表征电质量中被极化的电介质特性的标量，等于极化幅度与电场强度幅度之比。

介电灵敏度

电介质考虑点处的绝对介电磁化率与电常数之比。

电动位移

一个矢量等于所考虑点的电场强度乘以同一点的电常数和极化的几何和。

绝对介电常数

表征电介质电性能的标量，等于电位移量值与电场电压量值之比。

介电常数

电介质考虑点处的绝对介电常数与电常数之比。

位移电源线

每一点的切线都与电位移矢量的方向重合的直线。

静电感应

在外部静电场的影响下，导电体感应电荷的现象。

静止电场

如果载流导体是静止的，则电流的电场不会随时间变化。

电位电场

转子的电场强度矢量处处为零的电场。

涡旋电场

强度矢量的转子不总是为零的电场。

两点的电位差

表征潜在电场的标量，等于当带正电的点体从场的一个给定点转移到另一个给定点时，该场力的功比的极限到该体的电荷，当身体的电荷趋于零时（否则：等于从一个给定点到另一个给定点的电场强度的线积分）。

给定点的电势

给定点与另一个指定但任意选择的点之间的电势差。

单根导体的电容

表征导体积聚电荷能力的标量，等于导体所带电荷与其电位之比，假设所有其他导体都无限远，无限远点的电位假定为零。

两个单导体之间的电容

一个标量值等于一个导体上的电荷与两个导体的电位差之比的绝对值，前提是这些导体具有相同的大小但符号相反，并且所有其他导体都无限远。

冷凝器

由电介质隔开的两个导体（板）组成的系统，旨在利用两个导体之间的电容。

电容器的容量

一个电容器板上的电荷与它们之间的电位差之比的绝对值，前提是这些板具有大小相同且符号相反的电荷。

导线系统中两个导体之间的电容（部分电容）

如果除后者之外的所有导体都具有相同的电势，则导体系统中其中一个导体的电荷与其与另一个导体之间的电势差之比的绝对值；如果地面包含在所考虑的电线系统中，则其电势为零。

第三方电场

由热过程、化学反应、接触现象、机械力和其他非电磁（宏观检查）过程引起的场；其特点是对位于该场存在区域的带电粒子和物体产生强烈影响。

感应电场

由时变磁场感应的电场。

电动势 E. d. S.

一个标量，表征外部电场和感应电场感应电流的能力，该电流等于沿所考虑路径或沿所考虑闭合电路的两点之间的外部电场和感应电场强度的线性积分。

电压

一个标量，等于所考虑路径上两点之间产生的电场（静电、静止、外部、感应）强度的线性积分。