Электрические поля и емкость

Введение

Когда электрическое напряжение существует между двумя отдельными проводниками, электрическое поле присутствует в пространстве между этими проводниками. В базовой электронике мы изучаем взаимодействия напряжения, тока и сопротивления в цепях, которые представляют собой проводящие пути, по которым могут перемещаться электроны. Однако когда мы говорим о полях, мы имеем дело с взаимодействиями, которые могут распространяться на пустое пространство.

По общему признанию, понятие «поле» несколько абстрактно. По крайней мере, с помощью электрического тока не так уж сложно представить себе крошечные частицы, называемые электронами, движущиеся между ядрами атомов внутри проводника, но «поле» даже не имеет массы и вовсе не обязательно должно существовать в материи. .

Несмотря на его абстрактный характер, почти каждый из нас имеет непосредственный опыт работы с полями, по крайней мере, в форме магнитов. Вы когда-нибудь играли с парой магнитов, замечая, как они притягиваются или отталкиваются в зависимости от их взаимной ориентации? Между парой магнитов существует неоспоримая сила, и эта сила не имеет «вещества». Он не имеет массы, цвета и запаха, и, если бы не физическая сила, действующая на сами магниты, он был бы совершенно нечувствителен к нашим телам. Физики описывают взаимодействие магнитов с помощью магнитных полей . в пространстве между ними. Если положить железные опилки рядом с магнитом, они ориентируются вдоль линий поля, визуально указывая на его присутствие.

Электрические поля

Тема этой главы - электрические поля (и устройства, называемые конденсаторами, которые их используют), а не магнитные поля, но между ними есть много общего. Скорее всего, вы тоже испытывали электрические поля. Глава 1 этой книги началась с объяснения статического электричества и того, как такие материалы, как воск и шерсть, при трении друг о друга создают физическое притяжение. Опять же, физики описали бы это взаимодействие в терминах электрических полей, создаваемых двумя объектами в результате их электронного дисбаланса. Достаточно сказать, что всякий раз, когда между двумя точками существует напряжение, в пространстве между этими точками будет проявляться электрическое поле.

Сила поля и поток поля

Поля имеют две меры:поле сила и поле flux . Поле сила - это величина "толчка" поля на определенном расстоянии . Поле поток - общее количество или влияние поля через пространство . Сила и поток поля примерно аналогичны напряжению («толкать») и току (потоку) через проводник, соответственно, хотя поток поля может существовать в полностью пустом пространстве (без движения частиц, таких как электроны), тогда как ток может иметь место только где есть свободные электроны, чтобы двигаться. В пространстве можно противодействовать потоку поля, так же как потоку электронов можно противостоять сопротивлением. Величина потока поля, который будет развиваться в космосе, пропорциональна величине приложенной силы поля, деленной на величину сопротивления магнитному потоку. Подобно тому, как тип проводящего материала определяет удельное сопротивление проводника электрическому току, тип изоляционного материала, разделяющего два проводника, определяет определенное сопротивление магнитному потоку.

Обычно электроны не могут войти в проводник, если не существует пути для выхода равного количества электронов (помните аналогию с мрамором в трубке?). Вот почему проводники должны быть соединены вместе по круговой траектории (цепи), чтобы возник непрерывный ток. Однако, как ни странно, лишние электроны могут быть «втиснуты» в проводник без пути для выхода, если электрическое поле может развиваться в пространстве относительно другого проводника. Количество дополнительных свободных электронов, добавленных к проводнику (или отнятых свободных электронов), прямо пропорционально величине потока поля между двумя проводниками.

Электрическое поле конденсаторов

Конденсаторы представляют собой компоненты, предназначенные для использования этого явления путем размещения двух проводящих пластин (обычно металлических) в непосредственной близости друг от друга. Существует множество различных стилей конструкции конденсаторов, каждый из которых подходит для определенных номиналов и целей. Для очень маленьких конденсаторов будет достаточно двух круглых пластин с изоляционным материалом. Для конденсаторов большей емкости «пластины» могут быть полосами металлической фольги, зажатой вокруг гибкой изолирующей среды и свернутой для компактности. Самые высокие значения емкости достигаются при использовании слоя изолирующего оксида микроскопической толщины, разделяющего две проводящие поверхности. В любом случае, общая идея та же:два проводника, разделенных изолятором.

Схематическое обозначение конденсатора довольно простое и представляет собой немногим больше двух коротких параллельных линий (представляющих пластины), разделенных зазором. Провода прикрепляются к соответствующим пластинам для подключения к другим компонентам. На более старом устаревшем схематическом изображении конденсаторов были изображены чередующиеся пластины, что на самом деле является более точным способом представления реальной конструкции большинства конденсаторов:

Когда на две пластины конденсатора подается напряжение, между ними создается концентрированный поток поля, что позволяет значительной разнице свободных электронов (заряда) между двумя пластинами:

Поскольку электрическое поле создается приложенным напряжением, лишние свободные электроны вынуждены собираться на отрицательном проводнике, в то время как свободные электроны «отнимаются» у положительного проводника. Этот дифференциальный заряд соответствует накоплению энергии в конденсаторе, представляющем потенциальный заряд электронов между двумя пластинами. Чем больше разница между электронами на противоположных пластинах конденсатора, тем больше поток поля и тем больший «заряд» энергии будет накапливать конденсатор.

Поскольку конденсаторы хранят потенциальную энергию накопленных электронов в виде электрического поля, они ведут себя совершенно иначе, чем резисторы (которые просто рассеивают энергию в виде тепла) в цепи. Накопление энергии в конденсаторе зависит от напряжения между пластинами, а также от других факторов, которые мы обсудим позже в этой главе. Способность конденсатора накапливать энергию в зависимости от напряжения (разности потенциалов между двумя выводами) приводит к стремлению поддерживать напряжение на постоянном уровне. Другими словами, конденсаторы склонны сопротивляться изменениям . по напряжению. Когда напряжение на конденсаторе увеличивается или уменьшается, конденсатор «сопротивляется» изменению, потребляя ток или подавая ток к источнику изменения напряжения, в противовес изменению.

Чтобы накапливать больше энергии в конденсаторе, необходимо увеличить напряжение на нем. Это означает, что к пластине (-) должно быть добавлено больше электронов, а от пластины (+) должно быть отведено больше электронов, что требует наличия тока в этом направлении. И наоборот, чтобы высвободить энергию из конденсатора, необходимо уменьшить напряжение на нем. Это означает, что часть избыточных электронов на (-) пластине должна быть возвращена на (+) пластину, что потребует тока в другом направлении.

Так же, как Первый закон движения Исаака Ньютона («объект в движении имеет тенденцию оставаться в движении; объект в состоянии покоя имеет тенденцию оставаться в состоянии покоя») описывает тенденцию массы противодействовать изменениям скорости, мы можем констатировать тенденцию конденсатора к противодействовать изменениям напряжения как таковым:«Заряженный конденсатор имеет тенденцию оставаться заряженным; разряженный конденсатор имеет тенденцию оставаться разряженным ». Гипотетически, оставленный нетронутым конденсатор будет бесконечно поддерживать любое оставшееся состояние заряда по напряжению. Только внешний источник (или сток) тока может изменить заряд напряжения, накопленный идеальным конденсатором:

На практике, однако, конденсаторы в конечном итоге теряют свои накопленные заряды напряжения из-за внутренних путей утечки электронов, перемещающихся от одной пластины к другой. В зависимости от типа конденсатора время, необходимое для саморассеивания накопленного заряда напряжения, может быть долгим . раз (несколько лет с конденсатором на полке!).

Когда напряжение на конденсаторе увеличивается, он потребляет ток от остальной цепи, действуя как силовая нагрузка. В этом состоянии конденсатор считается заряженным . , потому что в его электрическом поле накапливается все большее количество энергии. Обратите внимание на направление электронного тока с учетом полярности напряжения:

И наоборот, когда напряжение на конденсаторе уменьшается, конденсатор подает ток на остальную часть цепи, действуя как источник питания. Говорят, что в этом состоянии конденсатор разряжается . . Его запас энергии, удерживаемый в электрическом поле, теперь уменьшается по мере того, как энергия передается остальной части цепи. Обратите внимание на направление тока с учетом полярности напряжения:

Если источник напряжения внезапно прикладывается к незаряженному конденсатору (внезапное повышение напряжения), конденсатор будет потреблять ток от этого источника, поглощая энергию от него, пока напряжение конденсатора не сравняется с напряжением источника. Как только напряжение на конденсаторе достигает этого конечного (заряженного) состояния, его ток спадает до нуля. И наоборот, если сопротивление нагрузки подключено к заряженному конденсатору, конденсатор будет подавать ток на нагрузку до тех пор, пока он не высвободит всю свою накопленную энергию и его напряжение не упадет до нуля. Как только напряжение на конденсаторе достигает этого конечного (разряженного) состояния, его ток спадает до нуля. По своей способности заряжаться и разряжаться конденсаторы можно рассматривать как аккумуляторы вторичных элементов.

Выбор изоляционного материала между пластинами, как упоминалось ранее, имеет большое влияние на то, какой поток поля (и, следовательно, сколько заряда) будет развиваться при любой заданной величине напряжения, приложенного к пластинам. Из-за роли этого изоляционного материала в воздействии на магнитный поток поля он получил специальное название: диэлектрик . . Не все диэлектрические материалы одинаковы:степень, в которой материалы препятствуют или стимулируют образование потока электрического поля, называется диэлектрической проницаемостью . диэлектрика.

Мера способности конденсатора накапливать энергию при заданном падении напряжения называется емкостью . . Неудивительно, что емкость также является мерой силы сопротивления изменениям напряжения (точно, сколько тока она будет производить при заданной скорости изменения напряжения). Емкость символически обозначается заглавной буквой «C» и измеряется в единицах фарада, сокращенно «F.»

Конвенция по какой-то странной причине отдает предпочтение метрической приставке «микро» при измерении больших емкостей, и поэтому многие конденсаторы оцениваются по очень большим значениям в микрофарадах:например, один большой конденсатор, который я видел, был оценен в 330 000 мкФ! ! Почему бы не указать 330 миллифарад? Я не знаю.

Устаревшее название конденсатора

Устаревшее название конденсатора - конденсатор . или конденсатор . Эти термины не используются ни в каких новых книгах или схематических диаграммах (насколько мне известно), но они могут встречаться в более старой литературе по электронике. Пожалуй, наиболее широко используется термин «конденсатор» в автомобилестроении, где небольшой конденсатор, названный этим именем, использовался для уменьшения чрезмерного искрения на переключающих контактах (называемых «точками») в электромеханических системах зажигания.>

ОБЗОР:

• Конденсаторы реагируют на изменения напряжения, подавая или потребляя ток в направлении, необходимом для противодействия изменению.
• Когда конденсатор сталкивается с возрастающим напряжением, он действует как нагрузка . :потребляет ток, поскольку он накапливает энергию (ток идет с положительной стороны и выходит с отрицательной стороны, как резистор).
• Когда конденсатор сталкивается с уменьшающимся напряжением, он действует как источник :подача тока при высвобождении накопленной энергии (ток идет через положительную и отрицательную стороны, как батарея).
• Способность конденсатора накапливать энергию в виде электрического поля (и, следовательно, противодействовать изменениям напряжения) называется емкостью . . Он измеряется в единицах Фарад . (F).
• Конденсаторы обычно назывались другим термином: конденсатор . (альтернативно пишется «конденсатор»).