електрична ємність

РЕАЛЬНА ФІЗИКА

Глосарій з фізики

- (електроємність, або просто ємність) - характеристика провідного тіла, міра його здатності накопичувати електричний заряд . Чисельно електрична ємність С дорівнює заряду q, який необхідно повідомити відокремленому тілу для зміни його потенціалу φ на одиницю, і визначається співвідношенням C = q / φ. Більш коректне визначення - диференціальне, придатне для будь-яких випадків, в тому числі для нелінійної залежності ємності від потенціалу: C = dq / dφ. Величина електричної ємності залежить від діелектричної проникності навколишнього середовища, форми і розмірів тіла, а також (якщо мова йде про динамічну ємності) динамічних характеристик ємнісний системи (наприклад, LC-контура), пристрої (наприклад, котушки індуктивності), матеріалу (наприклад, в варіконд і варикапа ).

На жаль, протягом ХХ століття, коли реальна фізика була потоптана захопили її паразитарними громадськими силами, які перетворили фізику в предмет і інструмент маніпулювання свідомістю і суспільним становищем людей, поняття фізичне електричної ємності було перетворено в якийсь схоластичний абсурд. Зокрема, в системі СГСЕ, що порушує фізичні розмірності , Електрична ємність відокремленого проводить кулі в вакуумі дорівнює його радіусу r [cm]. Насправді електрична ємність не має розмірності довжини, а відображає фізичну ємність провідного тіла по відношенню до електричного заряду, що безпосередньо відбивається в самій розмірності [C / V], тобто те, наскільки збільшиться заряд [C] провідного тіла при зміні його електричного потенціалу на 1V.

Виходячи з останнього, електрична ємність кулі, розташованого в однорідноїізотропної середовищі з абсолютної діелектричної проникністю εa, дорівнює

З = 4 π εа r [F].

У математико-теоретичному, спрощеному випадку електрична ємність геометрично подібних проводять тел пропорційна їх лінійними розмірами, тобто для ємностей "лабораторних" масштабів - масштабів мезофізікі (приблизно від міліметра до кілометра) має місце властивість автомодельности. У мікросвіті і мегамире - масштабах, істотно відмінних від мезоміра лінійний характер залежності ємності від розмірів порушується.

Традиційно, тобто з позитивистски-релятивістських позицій, електричні ємності ділять на відокремлені і складні (системні).

Відокремлена ємність, проста ємність - ємність однозв'язного провідного тіла, що має еквіпотенціальною поверхнею, тобто поверхня одного електричного потенціалу, розташованого так далеко від інших провідників, що їх впливом на розподіл зарядів по його поверхні можна знехтувати.

Складна, складова ємність, конденсатор - система двох і більше ізольованих один від одного провідників, електроємність якої не залежить від наявності інших провідників, що знаходяться поза цією системою.

Таким чином відокремлене ємність не вважають конденсатором, а її властивості вважаються простими.

Реально справа йде інакше. Відокремлена ємність на відміну від складовою створює в навколишньому просторі (Етері) електричне поле досить складного, часто непередбачуваного математичною моделлю поведінки при будь-яких змінах зовнішніх по відношенню до цієї ємності факторів. Прикладами можуть служити випромінювання електромагнітних хвиль, опромінення (прийом) електромагнітних хвиль, обмін енергією, імпульсом і моментом із зовнішнім полем, наприклад, в результаті руху зовнішніх тіл або самої ємності в Етері (щодо "лабораторної" системи). Крім того, відокремленої ємність є тільки в теорії. Реально - це конденсатор, який має віддалені один від одного обкладки. Другий часто є поверхня Землі, що має нульовий потенціал і неявно для теоретика, але фізично реально поєднана з другим виводом джерела е.р.с., що створює потенціал на відокремленій ємності. Відключення джерела е.р.с. по завершенні процесу зарядки ємності не говорить про відсутність двополюсність, але лише про відключення її після завершення процесу, тобто тимчасовій відсутності струму. Уже за своїм визначенням відокремлена ємність - це теж конденсатор, що накопичує заряд.

Велика частина електричного поля складовою ємності состедоточена всередині неї самої. Таким чином поведінку цього поля передбачувано і просто. Воно визначається геометричною конфігурацією ємності. Складова ємність може грати роль відокремленої без будь-яких конструктивних змін, - досить тільки, щоб заряджаючий і розряджає ємність джерело створював на її обкладинках однаковий потенціал. Останнє показує, що форма, конструкція провідників ємності сама по собі не визначає тип ємності - відокремлена або складова.

Таким чином традиційна класифікація ємностей є фукнціонального невизначеною. Тому бачиться бачиться доцільним додаткове введення функціональної класифікації ємностей.

Екзоёмкость - електрична ємність, що створює електричне поле переважно навколо себе, енергія якого істотно більше енергії електричного поля, замикається на елементи самої ємності. До таких ємностей відносяться заряджені елементарні частинки, іони атомів і молекул, електричні дроти, антени і котушки індуктивності.

Ендоёмкость - електрична ємність, що створює електричне поле переважно всередині себе, енергія якого істотно більше енергії електричного поля, що виходить за елементи самої ємності. До таких ємностей відносяться нейтрони, нейтральні атоми і молекули, дво- і многообкладочние конденсатори.

Конденсатор - електротехнічний пристрій або радіотехнічний компонент, призначені для роботи в електротехнічних або електронних ланцюгах, схемах, пристроях, системах; виконує функцію накопичення електричного заряду, тобто електричної ємності. На відміну від ємності - фізичної властивості практично будь-якого речового об'єкта і самого Ефіру (поля), конденсатор - це спеціально створений технічний прилад, що володіє необхідною для поставлених цілей ємністю і її якісними параметрами: відповідності номіналу, температурним коефіцієнтом, лінійністю або нелинейностью тощо.

Традиційно, електричну ємність розглядають і розраховують, як атрибут електростатики. Однак це не відповідає фізичним реаліям, обмежуючи бачення фізичного явища електричної ємності вузькою областю електростатики. Реально, явище електричної ємності виникає як в електростатики, так і в електродинаміки. Тому, існують дві її різновиди:

Статична ємність - це електрична ємність, величина якої визначається геометричними параметрами провідників і діелектричної проникністю діелектрика, що розділяє провідники.

Динамічна ємність - це електрична ємність, величина якої визначається здатністю деякого електродинамічного процесу або накопичувати електричні заряди, створюючи електричне поле, або створювати вихровий електричне поле навіть без присутності електричних зарядів.
Прикладами сутностей, що володіють динамічної ємністю є котушки індуктивності, дроти, кабелі, різні антени, потоки зарядів: струм, електронні та іонні пучки, а також фізичні середовища і сам Ефір (лінійна щільність ємності будь-якого фізичного середовища - її діелектрична проникність [F / m] ).

Існує два види електричних ємностей, що перевершують по щільності заряду і, відповідно, своєї ємності інші.

Електролітична ємність - електрична ємність, в якій в якості діелектричної кордону між проаоднікамі / обкладинками розташований електроліт з високим ступенем поляризації P, тобто з високою діелектричної проникністю ε [F / m]. Прикладом електролітичної ємності є електролітичний конденсатор.

Електрохімічний ємність - електрична ємність, в якій в якості носія заряду використовується сам електроліт і електрохімічний потенціал його розділених компонент. Прикладами електрохімічних ємностей є хімічні джерела живлення - акумулятори і гальванічні елементи.

Є ще пара різновидів характеристик ємності.

Власна ємність - це ємність деякого фізичного елемента, пристрою або системи - або без урахування впливу інших елементів і систем, або відокремленого. При цьому відмінність власної ємності від відокремленої полягає в тому, що це не обов'язково екзоёмкость. Прикладами можуть служити власна ємність конденсатора і власна ємність котушки індуктивності.

Взаємна ємність - це електрична ємність між різними елементами будь-якої фізичної системи.

В СІ одиницею вимірювання ємності є Фарада [F]. У мезофізіческой системі n проводять тел зв'язок зарядів тіл з їх потенціалами лінійна (див., Напр., [1-3]) і описується трьома способами:

де φm і qm - потенціал і заряд тіла m, α mm і α mk - власні і взаємні (при k ≠ m) потенційні коефіцієнти, β mm і βmk - власні і взаємні ємнісні коефіцієнти, стт і Cmk - власні і взаємні часткові ємності. Коефіцієнти в (1), (2) і (3) зв'язані співвідношеннями:

де D - визначник системи (1), АТТ і Amk - алгебраїчні доповнення α mm і α mk відповідно.

В електротехніці зазвичай користуються коефіцієнтом Сmm і Cmk. Часткова власна ємність Cmm = qm / φ m при рівності потенціалів всіх тіл, а часткова взаємна ємність Cmk = Ckm = -qm / φk при нульових потенціалах всіх тіл, крім потенціалу тіла k.

В практично цікавий випадок двох провідних тел їх електрична ємність чисельно дорівнює заряду q, який потрібно перенести з одного тіла на інше, з тим щоб змінити різницю потенціалів φ1 - φ2 на одиницю, і визначається співвідношенням С = q / (φ1-φ2). З (3) випливає, що в цьому випадку

Як правило, часткова взаємна електрична ємність C12 двох тіл, розташованих на відстанях, порівнянних з їх розмірами, значно більше часткових власних електричних ємностей C 11 і С22. Електрична ємність двох близько розташованих проводять пластин без врахування впливу крайових ефектів (в СІ):

С = εaS / d,

де d - відстань між пластинами, S - площа пластини.

Електрична ємність двох сферичних провідних поверхонь із загальним центром:

С = 4πεаr1r2 / (r1-r2),

де r1 і r2 - радіуси внутр. і зовн. поверхонь. Електрична ємність двох співвісних цилиндрич. провідних поверхонь без обліку ефектів на кінцях циліндрів:

С = 2πεа l // ln (r2 / r1),

де r1 і r2 - радіуси поверхонь, l - довжина циліндрів.

Електрична ємність двопровідної лінії:

C = pεа l / ln (d / a-1),

де a - радіус проводів, d - відстань між осями проводів, l - довжина лінії.

Електрична ємність проводу повітряної трифазної лінії, розташованої над Землею:

C = 2πεа l / ln [2hd / (aD)],

де l - довжина лінії, h - середнє геометричне значення висоти проводів над землею, d - середнє геометричне значення відстаней між проводами, D - пор. геом. значення відстаней між проводами і дзеркальними (щодо Землі) зображеннями сусідніх проводів.

В техніці для отримання потрібних величин електричної ємності використовуються спеціальні пристрої - конденсатори. Всі інші елементи і пристрої, що застосовуються в електричних ланцюгах різного призначення, також мають електричну ємністю. Так, наприклад, трансформатори мають межвиткового ємність, ємність між висновками, ємність між обмотками тощо, всі електронні прилади - міжелектродні ємності, протяжні пристрої володіють розподіленої по довжині електричної ємності і т. Д. Вплив цих ємностей в деяких режимах може бути суттєвим.

У теорії електричних ланцюгів електрична ємність - параметр ємнісного елемента електричної схеми, що представляє собою двухполюсник, що характеризується залежністю заряду від напруги q (U), яка може бути лінійної (в разі лінійної ємності) або нелінійної (в разі нелінійної ємності; див., наприклад, варикап ).

Діючі значення синусоїдальних струмів I і напруги в лінійної ємності пов'язані співвідношенням:

U = xcI,

де x з = (ωС) -1 - ємкісне опір, ω - кругова частота синусоїдальних струмів і напруги.

У нелінійних ємностях синусоїдальна напруга викликає несинусоїдальний струм. Електрична ємність як елемент схеми відповідає елементу ланцюга - конденсатору при його ідеалізації.

В металах є вільні носії електрики - електрони провідності (електронний газ), які під дією зовнішнього електричного поля можуть переміщатися в межах всього обсягу металу. Під дією зовнішнього електричного поля електрони в металі перерозподіляються таким чином, щоб в будь-якій точці всередині провідника електричне поле електронів провідності і позитивно заряджених "атомних залишків" повністю компенсувало зовнішнє поле. У цьому випадку має місце

Електростатична індукція - взнікает під дією зовнішнього електричного поля перерозподіл електронів провідності.

Виникаючі при цьому на поверхні заряди називаються індукованими зарядами, які зникають, як тільки метал видаляється з електричного поля. Вектор напруженості зовнішнього поля у поверхні металу спрямований по нормалі до поверхні, так як дотична складова вектора викликала б переміщення носіїв струму по поверхні. Таким чином:

• всюди всередині металу напруженість поля Е = 0, а у його поверхні Е = Е n (Е τ = 0);
  
• весь обсяг металу еквіпотенціалью, так як в будь-якій точці
  

  

• поверхню металу є еквіпотенційної поверхнею, так як для будь-якої лінії на поверхні
  




• некомпенсовані заряди розташовуються тільки на поверхні металу, так як по теоремі Остроградського-Гаусса заряд, що охоплюється довільній замкнутої поверхнею S, проведеної всередині металу, дорівнює нулю
  

  

  так як у всіх точках поверхні S, що проходить всередині металу, Е = 0.

• Напруженість і вектор електричного зміщення поблизу поверхні металу пов'язані з поверхневою щільністю зарядів співвідношеннями
  

  

  де D n і Е n - проекції векторів D і Е на зовнішню нормаль до поверхні металу, ε - діелектрична проникність середовища.

Відокремленим провідником називається металеве тіло, що знаходиться настільки далеко від інших металевих тіл і заряджених об'єктів, що впливом їх електричних полів можна знехтувати.

• У провідника, що знаходиться в однорідному ізотропному діелектрику, що заповнює все поле провідника, заряд розподілений по поверхні з щільністю σ, що залежить тільки від форми поверхні провідника.

  

  значення більше там, де менше радіус кривизни поверхні.

• Потенціал зарядженого провідника, що знаходиться в безмежному, однорідному і ізотропному діелектрику, дорівнює
  

  

  де r - відстань від заряду σdS малого елемента поверхні до будь-якої точки на цій поверхні. Інтеграл залежить тільки від розмірів і форми провідника.

• Потенціал відокремленого провідника пропорційний заряду провідника
  

  

  де величина С називається електричної ємністю провідника
  

  

Електрична ємність відокремленого провідника залежить від його розмірів і форми, а також від діелектричних властивостей навколишнього середовища. Електрична ємність відокремленого провідника не залежить від матеріалу провідника і його агрегатного стану, а також від форми і розмірів порожнин всередині провідника ..

Електрична ємність провідника стає більше, якщо поблизу є інші провідники. Для двох близько розташованих провідників взаємна ємність дорівнює

Взаємна ємність двох провідників залежить від їх форми, розмірів і взаємного розташування, а також від діелектричних властивостей навколишнього середовища.

Система з двох провідників, рівномірно заряджених рівними за величиною і протилежними за знаком зарядами, називається конденсатором, якщо створюване ними поле локалізоване в обмеженій області простору. Ємність плоского конденсатора з двох пластин з площею S кожна, розташованих на відстані d одна від одної, дорівнює

(Справедливо при )

Ємність сферичного конденсатора

Ємність циліндричного конденсатора

Пробивна напруга (напруга пробою) - мінімальна різниця потенціалів обкладок конденсатора, при якій відбувається електричний розряд через шар діелектрика. Залежить від форми і розмірів обкладок і від властивостей діелектрика. При послідовному з'єднанні конденсаторів ємність батареї

При паралельному з'єднанні конденсаторів ємність батареї

Робота проти кулонівських сил при заряді провідника йде на збільшенні електричної енергії провідника, яка аналогічна механічної потенційної енергії. Робота dA по перенесенню заряду dq з нескінченності на відокремлений провідник визначає величину електричної енергії (потенційної) цього провідника

→

Енергія зарядженого конденсатора

Енергія будь-якої системи нерухомих зарядів

Енергія електростатичного поля - є енергія зарядів, зарядженого провідника або конденсатора як носіїв цього поля.

Енергія однорідного поля плоского конденсатора

Густина енергії однорідного поля

Густина енергії неоднорідного поля

→ →

Приклад: Енергія і об'ємна щільність енергії поля зарядженої сфери

Діючі в електричному полі сили можуть здійснювати роботу по переміщенню заряджених тел. Такі сили називаються пондемоторние сили.

Приклад: сила тяжіння пластин конденсатора може бути визначена з припущення, що діюча сила, зменшуючи відстань між пластинами, зменшує потенційну енергію системи

З виразу для енергії поля і ємності конденсатора слід

и →

Тоді сила діюча на пластини

буде силою тяжіння.

Енергія електричного поля системи заряджених тіл змінюється, якщо тіла системи переміщаються і / або змінюються їх заряди. При цьому відбувається робота зовнішніми силами і джерелами електричної енергії. Для малого зміни стану системи (властивості системи не змінюються)

(Закон збереження енергії)

де - робота зовнішніх сил, - робота джерел електричної енергії, - зміна енергії електричного поля системи, - зміна кінетичної енергії системи, - теплота, що виділяється при зміні або перерозподілі заряду системи.

Якщо переміщення заряджених тіл відбувається повільно (квазістатична), то можна знехтувати кінетичної енергією і вважати, що робота зовнішніх сил чисельно дорівнює і протилежна за знаком роботі пондемоторних сил . тоді

Якщо заряд системи не змінюється, то

и →

робота пондемоторних сил дорівнює убутку енергії електричного поля системи.

Література по електричним ємностей

1. Іоссель Ю. Я., Кочанов 3. С., Струнской М. Г., Розрахунок електричної ємності, 2 вид., Л., 1981;
2. Новожилов Ю. В., Яппа Ю. А., Електродинаміка, М., 1978;
3. Нейман Л. Р., Демірчян К. С., Теоретичні основи електротехніки, 3 вид., Т. 2, Л., 1981.
4. Іродів І.Є. Основні закони електромагнетизму. - М., ВШ, 1991, с. 71.
5. Хайдаров К.А. природа електрики . - BRI, 2004.
6. Хайдаров К.А. ефірний електрон . - БРІ, 2004.
7. Хайдаров К.А. Про реальні явища електромагнетизму . - БРІ, 2015.

К.А. Хайдаров

Чи знаєте Ви,

що електромагнітне та інші поля є різні типи коливань, деформацій і варіацій тиску в ефірі.

Поняття ж "фізичного вакууму" в релятивістської квантової теорії поля має на увазі, що по-перше, він не має фізичної природи, в ньому лише віртуальні частинки у яких немає фізичної системи відліку, це "фантоми", по-друге, "фізичний вакуум" - це найнижча стан поля, "нуль-точка", що суперечить реальним фактам, так як, насправді, вся енергія матерії міститься в ефірі і немає іншої енергії і іншого носія полів і речовини крім самого ефіру.

На відміну від лукавого поняття "фізичний вакуум", як би сумісного з релятивізмом, поняття "ефір" має на увазі наявність базового рівня всієї фізичної матерії, що має як власну систему відліку (що виявляється експериментально, наприклад, через фонове космічекое випромінювання, - теплове випромінювання самого ефіру) , так і є носієм 100% енергії всесвіту, а не "нуль-точкою" або "залишковими", "нульовими коливаннями простору". Детальніше читайте в FAQ по ефірної фізіці .

НОВИНИ ФОРУМУ
Лицарі Теорії ефіру 13.06.2019 - 5:11: ЕКОЛОГІЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМА ГЛОБАЛЬНОЇ ЗАГІБЕЛІ бджіл ТА других запилювачів РОСЛИН - Карім_Хайдаров.
12.06.2019 - 9:05: ВІЙНА, ПОЛІТИКА І НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема державного тероризму - Карім_Хайдаров.
11.06.2019 - 18:05: ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ФІЗИКА - Experimental Physics -> Експеримент Серлі и его послідовніків з магнітамі - Карім_Хайдаров.
11.06.2019 - 18:03: ВИХОВАННЯ, ОСВІТА, ОСВІТА - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвітніцтво від Андрія Маклакова - Карім_Хайдаров.
11.06.2019 - 13:23: ВИХОВАННЯ, ОСВІТА, ОСВІТА - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвітніцтво від В'ячеслава Осієвського - Карім_Хайдаров.
11.06.2019 - 13:18: ВИХОВАННЯ, ОСВІТА, ОСВІТА - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвітніцтво від Світлани Віслобоковой - Карім_Хайдаров.
11.06.2019 - 6:28: Астрофізікі - Astrophysics -> До 110 річчя Тунгуска катастрофи - Карім_Хайдаров.
10.06.2019 - 21:23: ВИХОВАННЯ, ОСВІТА, ОСВІТА - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвітніцтво від Володимира Васильовича Квачкова - Карім_Хайдаров.
10.06.2019 - 19:27: СОВІСТЬ - Conscience -> Вищий розум - Карім_Хайдаров.
10.06.2019 - 19:24: ВІЙНА, ПОЛІТИКА І НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ страви - Карім_Хайдаров.
10.06.2019 - 19:14: СОВІСТЬ - Conscience -> російський СВІТ - Карім_Хайдаров.
10.06.2019 - 8:40: ЕКОНОМІКА І ФІНАНСИ - Economy and Finances -> КОЛЛАПС Світової Фінансової СИСТЕМИ - Карім_Хайдаров.