Campo elétrico, indução eletrostática, capacitância e capacitores

Conceito de campo elétrico

Sabe-se que as forças do campo elétrico atuam no espaço em torno das cargas elétricas. Numerosos experimentos em corpos carregados confirmam isso completamente. O espaço ao redor de qualquer corpo carregado é um campo elétrico no qual atuam as forças elétricas.

A direção das forças de campo são chamadas de linhas de campo elétrico. Portanto, é geralmente aceito que um campo elétrico é uma coleção de linhas de força.

As linhas de campo têm certas propriedades:

• as linhas de força sempre saem de um corpo carregado positivamente e entram em um corpo carregado negativamente;

• eles saem em todas as direções perpendiculares à superfície do corpo carregado e entram nele perpendicularmente;

• as linhas de força de dois corpos com cargas iguais parecem se repelir, e corpos com cargas opostas se atraem.

As linhas de força do campo elétrico estão sempre abertas quando quebram na superfície de corpos carregados.Corpos eletricamente carregados interagem: cargas opostas se atraem e se repelem de forma semelhante.

Corpos eletricamente carregados (partículas) com cargas q1 e q2 interagem entre si com uma força F, que é uma quantidade vetorial e é medida em newtons (N). Corpos com cargas opostas se atraem e com cargas iguais se repelem.

A força de atração ou repulsão depende da magnitude das cargas nos corpos e da distância entre eles.

Corpos carregados são chamados de pontos se suas dimensões lineares forem pequenas em comparação com a distância r entre os corpos. A magnitude de sua força de interação F depende da magnitude das cargas q1 e q2, da distância r entre elas e do ambiente em que as cargas elétricas estão localizadas.

Se não houver ar no espaço entre os corpos, mas algum outro dielétrico, ou seja, um não condutor de eletricidade, a força de interação entre os corpos diminuirá.

O valor que caracteriza as propriedades de um dielétrico e mostra quantas vezes a força de interação entre cargas aumentará se um dado dielétrico for substituído por ar é chamado de permissividade relativa de um dado dielétrico.

A constante dielétrica é igual a: para ar e gases — 1; para ebonite — 2 — 4; para mica 5 — 8; para óleo 2 — 5; para papel 2 — 2,5; para parafina — 2 — 2.6.

O campo eletrostático de dois corpos carregados: a — tala são carregados com o mesmo nome, b — corpos são carregados de forma diferente

indução eletrostática

Se um corpo condutor A de forma esférica, isolado dos objetos circundantes, receber uma carga elétrica negativa, ou seja, para criar um excesso de elétrons nele, essa carga será distribuída uniformemente pela superfície do corpo.Isso ocorre porque os elétrons, repelindo-se, tendem a vir para a superfície do corpo.

Colocamos um corpo B descarregado, também isolado dos objetos circundantes, no campo do corpo A. Em seguida, cargas elétricas aparecerão na superfície do corpo B e, no lado voltado para o corpo A, uma carga oposta à carga do corpo A ( positivo ) e do outro lado - uma carga com o mesmo nome da carga do corpo A (negativa). As cargas elétricas assim distribuídas permanecem na superfície do corpo B enquanto ele está no campo do corpo A. Se o corpo B for removido do campo ou o corpo A for removido, então a carga elétrica na superfície do corpo B é neutralizada. Este método de eletrificação à distância é chamado de indução eletrostática ou eletrificação por influência.

O fenômeno da indução eletrostática

É óbvio que tal estado eletrificado do corpo é forçado e mantido exclusivamente pela ação das forças do campo elétrico criado pelo corpo A.

Se fizermos o mesmo quando o corpo A estiver carregado positivamente, os elétrons livres da mão de uma pessoa correrão para o corpo B, neutralizarão sua carga positiva e o corpo B ficará carregado negativamente.

Quanto maior o grau de eletrificação do corpo A, ou seja, quanto maior o seu potencial, maior o potencial que pode ser eletrificado por meio da indução eletrostática do corpo B.

Assim chegamos à conclusão de que o fenômeno da indução eletrostática permite, sob certas condições, acumular eletricidade na superfície de corpos condutores.

Qualquer corpo pode ser carregado até certo limite, isto é, até certo potencial; um aumento no potencial além do limite faz com que o corpo seja ejetado na atmosfera circundante. Corpos diferentes precisam de quantidades diferentes de eletricidade para trazê-los ao mesmo potencial. Em outras palavras, diferentes corpos contêm diferentes quantidades de eletricidade, ou seja, possuem diferentes capacidades elétricas (ou simplesmente capacidades).

A capacidade elétrica é a capacidade de um corpo de conter uma certa quantidade de eletricidade enquanto aumenta seu potencial para um determinado valor. Quanto maior a área de superfície do corpo, mais carga elétrica esse corpo pode conter.

Se o corpo tem a forma de uma bola, então sua capacidade é diretamente proporcional ao raio da bola. A capacitância é medida em farads.

Um farada é a capacidade de tal corpo que, após receber uma carga de eletricidade em um pingente, aumenta seu potencial em um volt... 1 farad = 1.000.000 microfarads.

A capacidade elétrica, ou seja, a propriedade dos corpos condutores de acumular carga elétrica em si mesmos, é amplamente utilizada na engenharia elétrica. O dispositivo é baseado nesta propriedade capacitores elétricos.

Capacitância do capacitor

Um capacitor consiste em duas placas de metal (placas), isoladas uma da outra com uma camada de ar ou outro dielétrico (mica, papel, etc.).

Se uma das placas receber uma carga positiva e a outra for negativa, ou seja, carregue-as de maneira oposta, as cargas das placas, que se atraem, serão mantidas nas placas. Isso permite que muito mais eletricidade seja concentrada nas placas do que se fossem carregadas à distância uma da outra.

Portanto, um capacitor pode servir como um dispositivo que armazena uma quantidade significativa de eletricidade em suas placas. Em outras palavras, um capacitor é um armazenamento de energia elétrica.

A capacitância do capacitor é igual a:

C = eS / 4pl

onde C é a capacitância; e é a constante dielétrica do dielétrico; S — área de uma placa em cm2, NS — número constante (pi) igual a 3,14; l — distância entre placas em cm.

A partir desta fórmula, pode-se ver que, à medida que a área das placas aumenta, a capacidade do capacitor aumenta e, à medida que a distância entre elas aumenta, ela diminui.

Vamos explicar essa dependência. Quanto maior a área das placas, mais eletricidade elas podem absorver e, portanto, a capacidade do capacitor será maior.

À medida que a distância entre as placas diminui, a influência mútua (indução) entre suas cargas aumenta, o que permite concentrar mais eletricidade nas placas e, portanto, aumentar a capacidade do capacitor.

Assim, se quisermos obter um capacitor grande, precisamos pegar placas de grande área e isolá-las com uma fina camada dielétrica.

A fórmula também mostra que, à medida que a constante dielétrica do dielétrico aumenta, a capacitância do capacitor aumenta.

Portanto, capacitores com as mesmas dimensões geométricas, mas contendo dielétricos diferentes, têm capacitâncias diferentes.

Se, por exemplo, pegarmos um capacitor com um dielétrico de ar cuja constante dielétrica é igual à unidade e colocarmos mica com uma constante dielétrica de 5 entre suas placas, a capacitância do capacitor aumentará 5 vezes.

Portanto, materiais como mica, papel impregnado com parafina, etc., cuja constante dielétrica é muito maior que a do ar, são usados ​​como dielétricos para obter uma grande capacidade.

Assim, são distinguidos os seguintes tipos de capacitores: ar, dielétrico sólido e dielétrico líquido.

Carregando e descarregando o capacitor. Corrente de polarização

Vamos incluir um capacitor de capacitância constante no circuito. Ao colocar a chave no contato a, o capacitor será incluído no circuito da bateria. A agulha do miliamperímetro no momento em que o capacitor é conectado ao circuito se desviará e depois se tornará zero.

capacitor DC

Portanto, uma corrente elétrica passou pelo circuito em uma determinada direção. Se a chave agora for colocada no contato b (ou seja, fechar as placas), a agulha do miliamperímetro desviará na outra direção e retornará a zero. Portanto, uma corrente também passou pelo circuito, mas em uma direção diferente. Vamos analisar esse fenômeno.

Quando o capacitor foi conectado à bateria, ele foi carregado, ou seja, suas placas receberam uma carga positiva e outra negativa. A cobrança continua até diferença potencial entre as placas do capacitor não é igual à tensão da bateria. Um miliamperímetro conectado em série no circuito indica a corrente de carga do capacitor, que para imediatamente após a carga do capacitor.

Quando o capacitor foi desconectado da bateria, ele permaneceu carregado e a diferença de potencial entre suas placas era igual à tensão da bateria.

No entanto, assim que o capacitor foi fechado, ele começou a descarregar e a corrente de descarga passou pelo circuito, mas já no sentido oposto à corrente de carga. Isso continua até que a diferença de potencial entre as placas desapareça, ou seja, até que o capacitor descarregue.

Portanto, se o capacitor for incluído no circuito DC, a corrente fluirá no circuito apenas no momento da carga do capacitor e, no futuro, não haverá corrente no circuito, porque o circuito será interrompido pelo dielétrico do capacitor.

É por isso que eles dizem que «Um capacitor não passa corrente contínua».

A quantidade de eletricidade (Q) que pode ser concentrada nas placas do capacitor, sua capacidade (C) e o valor da tensão fornecida ao capacitor (U) estão relacionados pela seguinte relação: Q = CU.

Essa fórmula mostra que quanto maior a capacidade do capacitor, mais eletricidade pode ser concentrada nele sem aumentar significativamente a tensão em suas placas.

Aumentar a tensão de capacitância CC também aumenta a quantidade de eletricidade armazenada pelo capacitor. Porém, se uma grande tensão for aplicada às placas do capacitor, então o capacitor pode ser "quebrado", ou seja, sob a ação dessa tensão, o dielétrico entrará em colapso em algum lugar e deixará a corrente passar por ele. Nesse caso, o capacitor deixará de funcionar. Para evitar danos aos capacitores, eles indicam o valor da tensão operacional permitida.

Fenômeno da polarização dielétrica

Vamos agora analisar o que acontece em um dielétrico quando um capacitor é carregado e descarregado e por que o valor da capacitância depende da constante dielétrica?

A resposta a esta pergunta nos dá a teoria eletrônica da estrutura da matéria.

Em um dielétrico, como em qualquer isolante, não há elétrons livres. Nos átomos do dielétrico, os elétrons estão fortemente ligados ao núcleo, portanto a tensão aplicada nas placas do capacitor não causa um movimento direcional dos elétrons em seu dielétrico, ou seja, corrente elétrica, como no caso dos fios.

No entanto, sob a ação das forças do campo elétrico criado pelas placas carregadas, os elétrons que giram em torno do núcleo atômico são deslocados em direção à placa do capacitor carregada positivamente. Ao mesmo tempo, o átomo é esticado na direção das linhas de campo.Esse estado dos átomos dielétricos é chamado de polarizado, e o próprio fenômeno é chamado de polarização dielétrica.

Quando o capacitor é descarregado, o estado polarizado do dielétrico é quebrado, ou seja, o deslocamento dos elétrons em relação ao núcleo causado pela polarização desaparece e os átomos voltam ao seu estado usual despolarizado. Verificou-se que a presença do dielétrico enfraquece o campo entre as placas do capacitor.

Diferentes dielétricos sob a ação do mesmo campo elétrico polarizam em diferentes graus. Quanto mais facilmente o dielétrico é polarizado, mais enfraquece o campo. A polarização do ar, por exemplo, resulta em menos enfraquecimento do campo do que a polarização de qualquer outro dielétrico.

Mas o enfraquecimento do campo entre as placas do capacitor permite concentrar nelas uma quantidade maior de eletricidade Q na mesma tensão U, o que por sua vez leva a um aumento da capacidade do capacitor, pois C = Q / U .

Então chegamos à conclusão — quanto maior a constante dielétrica do dielétrico, maior a capacidade do capacitor que contém esse dielétrico em sua composição.

O deslocamento de elétrons nos átomos do dielétrico, que ocorre, como já dissemos, sob a ação das forças do campo elétrico, forma-se no dielétrico, no primeiro momento da ação do campo, uma Chama-se corrente de deflexão... É assim chamada porque ao contrário da corrente de condução em fios metálicos, a corrente de deslocamento é gerada apenas pelo deslocamento de elétrons em movimento em seus átomos.

A presença dessa corrente de polarização faz com que o capacitor conectado à fonte CA se torne seu condutor.

Veja também neste tópico: Campo elétrico e magnético: quais são as diferenças?

As principais características do campo elétrico e as principais características elétricas do meio (termos básicos e definições)

Força do campo elétrico

Uma grandeza vetorial que caracteriza a ação da força de um campo elétrico sobre corpos e partículas eletricamente carregados, igual ao limite da razão da força com a qual o campo elétrico atua sobre um corpo estacionário de carga puntiforme introduzido no ponto considerado do campo para a carga deste corpo quando esta carga tende a zero e cuja direção é assumida para coincidir com a direção da força que atua sobre um corpo pontual carregado positivamente.

Uma linha de campo elétrico

Uma linha em qualquer ponto cuja tangente a ela coincide com a direção do vetor de intensidade do campo elétrico.

Polarização elétrica

O estado da matéria caracterizado pelo fato de que o momento elétrico de um determinado volume dessa substância tem um valor diferente de zero.

Condutividade elétrica

A propriedade de uma substância de conduzir, sob a influência de um campo elétrico que não muda com o tempo, uma corrente elétrica que não muda com o tempo.

Dielétrico

Uma substância cuja principal propriedade elétrica é a capacidade de polarizar em um campo elétrico e na qual a existência de um campo eletrostático a longo prazo é possível.

Uma substância condutora

Uma substância cuja principal propriedade elétrica é a condutividade elétrica.

Diretor

Corpo condutor.

Substância semicondutora (semicondutor)

Uma substância cuja condutividade elétrica é intermediária entre uma substância condutora e um dielétrico e cujas propriedades distintivas são: uma dependência pronunciada da condutividade elétrica com a temperatura; alteração na condutividade elétrica quando exposta a um campo elétrico, luz e outros fatores externos; dependência significativa de sua condutividade elétrica da quantidade e natureza das impurezas introduzidas, o que permite amplificar e corrigir a corrente elétrica, bem como converter alguns tipos de energia em eletricidade.

Polarização (intensidade de polarização)

Uma quantidade vetorial que caracteriza o grau de polarização elétrica do dielétrico, igual ao limite da razão do momento elétrico de um certo volume do dielétrico para este volume quando este tende a zero.

Constante elétrica

Uma quantidade escalar que caracteriza o campo elétrico em uma cavidade, igual à razão entre a carga elétrica total contida em uma certa superfície fechada e o fluxo do vetor de intensidade do campo elétrico através dessa superfície no vazio.

Suscetibilidade dielétrica absoluta

Uma quantidade escalar que caracteriza a propriedade de um dielétrico de ser polarizado em uma massa elétrica, igual à razão entre a magnitude da polarização e a magnitude da intensidade do campo elétrico.

Sensibilidade dielétrica

A razão da suscetibilidade dielétrica absoluta no ponto considerado do dielétrico para a constante elétrica.

Deslocamento elétrico

Uma quantidade vetorial igual à soma geométrica da intensidade do campo elétrico no ponto em consideração multiplicada pela constante elétrica e a polarização no mesmo ponto.

Constante dielétrica absoluta

Uma quantidade escalar que caracteriza as propriedades elétricas de um dielétrico e igual à razão entre a magnitude do deslocamento elétrico e a magnitude da tensão do campo elétrico.

A constante dielétrica

A razão da constante dielétrica absoluta no ponto considerado do dielétrico para a constante elétrica.

Linha de energia de deslocamento

Uma linha em cada ponto cuja tangente a ela coincide com a direção do vetor deslocamento elétrico.

indução eletrostática

O fenômeno da indução de cargas elétricas em um corpo condutor sob a influência de um campo eletrostático externo.

Campo elétrico estacionário

O campo elétrico das correntes elétricas que não mudam com o tempo, desde que os condutores portadores de corrente sejam estacionários.

Campo elétrico potencial

Um campo elétrico no qual o rotor do vetor de força do campo elétrico é igual a zero em todos os lugares.

campo elétrico parasita

Um campo elétrico no qual o rotor do vetor de intensidade nem sempre é igual a zero.

A diferença de potencial elétrico em dois pontos

Uma quantidade escalar que caracteriza um campo elétrico potencial, igual ao limite da razão do trabalho das forças desse campo, quando um corpo pontual carregado positivamente é transferido de um determinado ponto do campo para outro, para a carga desse corpo , quando a carga do corpo tende a zero (caso contrário: igual à integral de linha da intensidade do campo elétrico de um determinado ponto a outro).

Potencial elétrico em um determinado ponto

A diferença entre os potenciais elétricos de um determinado ponto e outro ponto especificado, mas escolhido arbitrariamente.

Capacitância elétrica de um único condutor

Uma quantidade escalar que caracteriza a capacidade de um condutor acumular carga elétrica, igual à razão entre a carga do condutor e seu potencial, assumindo que todos os outros condutores estão infinitamente distantes e que o potencial do ponto infinitamente distante é considerado zero.

Capacitância elétrica entre dois condutores simples

Um valor escalar igual ao valor absoluto da relação entre a carga elétrica de um condutor e a diferença de potencial elétrico de dois condutores, desde que esses condutores tenham a mesma magnitude, mas sinais opostos e que todos os outros condutores estejam infinitamente distantes.

Condensador

Um sistema de dois condutores (placas) separados por um dielétrico projetado para usar a capacitância entre os dois condutores.

Capacitância do capacitor

O valor absoluto da razão entre a carga elétrica em uma das placas do capacitor e a diferença de potencial entre elas, desde que as placas tenham cargas de mesma magnitude e sinais opostos.

Capacitância entre dois condutores em um sistema de fios (capacitância parcial)

O valor absoluto da relação entre a carga elétrica de um dos condutores incluídos no sistema de condutores e a diferença de potencial entre ele e outro condutor, se todos os condutores, exceto o último, tiverem o mesmo potencial; se o solo estiver incluído no sistema de fios considerado, seu potencial será considerado zero.

Campo elétrico de terceiros

O campo causado por processos térmicos, reações químicas, fenômenos de contato, forças mecânicas e outros processos não eletromagnéticos (no exame macroscópico); caracterizado por um forte efeito sobre partículas e corpos carregados localizados na área onde existe esse campo.

Campo elétrico induzido

Um campo elétrico induzido pelo campo magnético variável no tempo.

Força eletromotriz E. d. S.

Uma quantidade escalar que caracteriza a capacidade de um campo elétrico externo e induzido de induzir uma corrente elétrica igual à integral linear da força dos campos elétricos externo e induzido entre dois pontos ao longo do caminho considerado ou ao longo do circuito fechado considerado.

Tensão

Uma quantidade escalar igual à integral linear da força do campo elétrico resultante (eletrostático, estacionário, externo, indutivo) entre dois pontos ao longo do caminho considerado.