Champ électrique, induction électrostatique, capacité et condensateurs

Notion de champ électrique

Les forces du champ électrique sont connues pour agir dans l'espace autour des charges électriques. De nombreuses expériences sur des corps chargés le confirment pleinement. L'espace autour de tout corps chargé est un champ électrique dans lequel agissent des forces électriques.

La direction des forces de champ est appelée lignes de champ électrique. Par conséquent, il est généralement admis qu'un champ électrique est un ensemble de lignes de force.

Les lignes de champ ont certaines propriétés :

• les lignes de force partent toujours d'un corps chargé positivement et pénètrent dans un corps chargé négativement ;

• ils sortent dans toutes les directions perpendiculairement à la surface du corps chargé et y pénètrent perpendiculairement ;

• les lignes de force de deux corps de charge égale semblent se repousser, et les corps de charge opposée s'attirent.

Les lignes de force du champ électrique sont toujours ouvertes lorsqu'elles se brisent à la surface des corps chargés.Les corps chargés électriquement interagissent : les charges opposées s'attirent et se repoussent de la même manière.

Les corps chargés électriquement (particules) avec des charges q1 et q2 interagissent les uns avec les autres avec une force F, qui est une quantité vectorielle et est mesurée en newtons (N). Les corps avec des charges opposées s'attirent et avec des charges similaires se repoussent.

La force d'attraction ou de répulsion dépend de l'ampleur des charges sur les corps et de la distance qui les sépare.

Les corps chargés sont dits ponctuels si leurs dimensions linéaires sont petites devant la distance r entre les corps. L'amplitude de leur force d'interaction F dépend de l'amplitude des charges q1 et q2, de la distance r entre elles et de l'environnement dans lequel se trouvent les charges électriques.

S'il n'y a pas d'air dans l'espace entre les corps, mais un autre diélectrique, c'est-à-dire un non-conducteur d'électricité, la force d'interaction entre les corps diminuera.

La valeur caractérisant les propriétés d'un diélectrique et montrant combien de fois la force d'interaction entre les charges augmentera si un diélectrique donné est remplacé par de l'air est appelée permittivité relative d'un diélectrique donné.

La constante diélectrique est égale à : pour l'air et les gaz — 1 ; pour l'ébonite — 2 — 4 ; pour le mica 5 - 8 ; pour l'huile 2 — 5 ; pour l'épreuve 2 — 2,5 ; pour la paraffine — 2 — 2,6.

Le champ électrostatique de deux corps chargés : a — les tala sont chargés du même nom, b — les corps sont chargés différemment

Induction électrostatique

Si un corps conducteur A de forme sphérique, isolé des objets environnants, reçoit une charge électrique négative, c'est-à-dire pour y créer un excès d'électrons, alors cette charge sera uniformément répartie sur la surface du corps.En effet, les électrons, se repoussant, ont tendance à venir à la surface du corps.

Nous plaçons un corps B non chargé, également isolé des objets environnants, dans le champ du corps A. Ensuite, des charges électriques apparaîtront à la surface du corps B, et du côté faisant face au corps A, une charge opposée à la charge du corps A ( positif ), et de l'autre côté - une charge portant le même nom que la charge du corps A (négatif). Les charges électriques ainsi réparties restent à la surface du corps B tant qu'il se trouve dans le champ du corps A. Si le corps B est retiré du champ ou le corps A est retiré, alors la charge électrique à la surface du corps B est neutralisée. Cette méthode d'électrification à distance est appelée induction électrostatique ou électrification par influence.

Le phénomène d'induction électrostatique

Il est évident qu'un tel état électrisé du corps est forcé et maintenu exclusivement par l'action des forces du champ électrique créé par le corps A.

Si nous faisons de même lorsque le corps A est chargé positivement, les électrons libres de la main d'une personne se précipiteront vers le corps B, neutraliseront sa charge positive et le corps B sera chargé négativement.

Plus le degré d'électrification du corps A est élevé, c'est-à-dire plus son potentiel est élevé, plus le potentiel peut être électrifié au moyen de l'induction électrostatique du corps B.

Ainsi nous sommes arrivés à la conclusion que le phénomène d'induction électrostatique permet dans certaines conditions d'accumuler électricité à la surface des corps conducteurs.

Tout corps peut être chargé jusqu'à une certaine limite, c'est-à-dire jusqu'à un certain potentiel ; une augmentation du potentiel au-delà de la limite provoque l'éjection du corps dans l'atmosphère environnante. Différents corps ont besoin de différentes quantités d'électricité pour les amener au même potentiel. En d'autres termes, différents corps contiennent différentes quantités d'électricité, c'est-à-dire qu'ils ont des capacités électriques différentes (ou simplement des capacités).

La capacité électrique est la capacité d'un corps à contenir une certaine quantité d'électricité tout en augmentant son potentiel jusqu'à une certaine valeur. Plus la surface du corps est grande, plus le corps peut contenir de charge électrique.

Si le corps a la forme d'une boule, alors sa capacité est directement proportionnelle au rayon de la boule. La capacité est mesurée en farads.

Un farada est la capacité d'un tel corps qui, après avoir reçu une charge d'électricité dans un pendentif, augmente son potentiel d'un volt... 1 farad = 1 000 000 microfarads.

La capacité électrique, c'est-à-dire la propriété des corps conducteurs d'accumuler une charge électrique en eux-mêmes, est largement utilisée en génie électrique. L'appareil est basé sur cette propriété condensateurs électriques.

Capacité du condensateur

Un condensateur est constitué de deux plaques métalliques (plaques), isolées l'une de l'autre par une couche d'air ou un autre diélectrique (mica, papier, etc.).

Si l'une des plaques reçoit une charge positive et que l'autre est négative, c'est-à-dire qu'elle les charge de manière opposée, les charges des plaques, s'attirant mutuellement, seront maintenues sur les plaques. Cela permet de concentrer beaucoup plus d'électricité sur les plaques que si elles étaient chargées à distance les unes des autres.

Par conséquent, un condensateur peut servir d'appareil qui stocke une quantité importante d'électricité dans ses plaques. En d'autres termes, un condensateur est un stockage d'énergie électrique.

La capacité du condensateur est égale à :

C = eS / 4pl

où C est la capacité; e est la constante diélectrique du diélectrique ; S - surface d'une plaque en cm2, NS - nombre constant (pi) égal à 3,14; l — distance entre les plaques en cm.

À partir de cette formule, on peut voir qu'à mesure que la surface des plaques augmente, la capacité du condensateur augmente et à mesure que la distance entre elles augmente, elle diminue.

Expliquons cette dépendance. Plus la surface des plaques est grande, plus elles peuvent absorber d'électricité et donc la capacité du condensateur sera plus grande.

Lorsque la distance entre les plaques diminue, l'influence mutuelle (induction) entre leurs charges augmente, ce qui permet de concentrer davantage d'électricité sur les plaques et donc d'augmenter la capacité du condensateur.

Ainsi, si nous voulons obtenir un gros condensateur, nous devons prendre des plaques de grande surface et les isoler avec une fine couche diélectrique.

La formule montre également que lorsque la constante diélectrique du diélectrique augmente, la capacité du condensateur augmente.

Par conséquent, des condensateurs de mêmes dimensions géométriques mais contenant des diélectriques différents ont des capacités différentes.

Si, par exemple, nous prenons un condensateur avec un diélectrique à air dont la constante diélectrique est égale à l'unité, et mettons du mica avec une constante diélectrique de 5 entre ses plaques, alors la capacité du condensateur augmentera de 5 fois.

Par conséquent, des matériaux tels que le mica, le papier imprégné de paraffine, etc., dont la constante diélectrique est bien supérieure à celle de l'air, sont utilisés comme diélectriques pour obtenir une grande capacité.

En conséquence, les types de condensateurs suivants sont distingués: air, diélectrique solide et diélectrique liquide.

Charge et décharge du condensateur. Courant de polarisation

Incluons un condensateur de capacité constante dans le circuit. En plaçant l'interrupteur sur le contact a, le condensateur sera inclus dans le circuit de la batterie. L'aiguille du milliampèremètre au moment où le condensateur est connecté au circuit va dévier puis devenir nulle.

Condensateur CC

Par conséquent, un courant électrique traversait le circuit dans une certaine direction. Si l'interrupteur est maintenant placé sur le contact b (c'est-à-dire fermer les plaques), alors l'aiguille du milliampèremètre va dévier dans l'autre sens et revenir à zéro. Par conséquent, un courant a également traversé le circuit, mais dans une direction différente. Analysons ce phénomène.

Lorsque le condensateur était connecté à la batterie, il était chargé, c'est-à-dire que ses plaques recevaient une charge positive et l'autre une charge négative. La facturation continue jusqu'au différence de potentiel entre les plaques du condensateur n'est pas égale à la tension de la batterie. Un milliampèremètre connecté en série dans le circuit indique le courant de charge du condensateur, qui s'arrête immédiatement après la charge du condensateur.

Lorsque le condensateur a été déconnecté de la batterie, il est resté chargé et la différence de potentiel entre ses plaques était égale à la tension de la batterie.

Cependant, dès que le condensateur a été fermé, il a commencé à se décharger et le courant de décharge a traversé le circuit, mais déjà dans le sens opposé au courant de charge. Cela continue jusqu'à ce que la différence de potentiel entre les plaques disparaisse, c'est-à-dire jusqu'à ce que le condensateur se décharge.

Par conséquent, si le condensateur est inclus dans le circuit CC, le courant ne circulera dans le circuit qu'au moment de la charge du condensateur et, à l'avenir, il n'y aura plus de courant dans le circuit, car le circuit sera interrompu par le diélectrique. du condensateur.

C'est pourquoi on dit qu'« un condensateur ne laisse pas passer de courant continu ».

La quantité d'électricité (Q) pouvant être concentrée sur les armatures du condensateur, sa capacité (C) et la valeur de la tension fournie au condensateur (U) sont liées par la relation suivante : Q = CU.

Cette formule montre que plus la capacité du condensateur est grande, plus l'électricité peut y être concentrée sans augmenter de manière significative la tension sur ses plaques.

L'augmentation de la tension de capacité continue augmente également la quantité d'électricité stockée par le condensateur. Cependant, si une tension élevée est appliquée aux plaques du condensateur, le condensateur peut être "cassé", c'est-à-dire que sous l'action de cette tension, le diélectrique s'effondrera à un endroit et laissera le courant le traverser. Dans ce cas, le condensateur cessera de fonctionner. Pour éviter d'endommager les condensateurs, ils indiquent la valeur de la tension de fonctionnement admissible.

Phénomène de polarisation diélectrique

Analysons maintenant ce qui se passe dans un diélectrique lorsqu'un condensateur est chargé et déchargé et pourquoi la valeur de la capacité dépend de la constante diélectrique ?

La réponse à cette question nous donne la théorie électronique de la structure de la matière.

Dans un diélectrique, comme dans tout isolant, il n'y a pas d'électrons libres. Dans les atomes du diélectrique, les électrons sont étroitement liés au noyau, donc la tension appliquée aux plaques du condensateur ne provoque pas de mouvement directionnel des électrons dans son diélectrique, c'est-à-dire courant électrique, comme dans le cas des fils.

Cependant, sous l'action des forces de champ électrique créées par les plaques chargées, les électrons tournant autour du noyau atomique sont déplacés vers la plaque de condensateur chargée positivement. En même temps, l'atome est étiré dans la direction des lignes de champ.Cet état des atomes diélectriques est appelé polarisé et le phénomène lui-même est appelé polarisation diélectrique.

Lorsque le condensateur est déchargé, l'état polarisé du diélectrique est rompu, c'est-à-dire que le déplacement des électrons par rapport au noyau provoqué par la polarisation disparaît et les atomes retrouvent leur état non polarisé habituel. Il a été constaté que la présence de diélectrique affaiblit le champ entre les armatures du condensateur.

Différents diélectriques sous l'action du même champ électrique se polarisent à des degrés différents. Plus le diélectrique se polarise facilement, plus il affaiblit le champ. La polarisation de l'air, par exemple, entraîne moins d'affaiblissement du champ que la polarisation de tout autre diélectrique.

Mais l'affaiblissement du champ entre les plaques du condensateur vous permet de concentrer sur elles une plus grande quantité d'électricité Q à la même tension U, ce qui entraîne à son tour une augmentation de la capacité du condensateur, puisque C = Q / U .

Nous sommes donc arrivés à la conclusion - plus la constante diélectrique du diélectrique est grande, plus la capacité du condensateur qui contient ce diélectrique dans sa composition est grande.

Le déplacement des électrons dans les atomes du diélectrique, qui se produit, comme nous l'avons déjà dit, sous l'action des forces du champ électrique, se forme dans le diélectrique, au premier instant de l'action du champ, un courant électrique Appelé courant de déviation... Il est ainsi nommé car contrairement au courant de conduction dans les fils métalliques, le courant de déplacement n'est généré que par le déplacement des électrons se déplaçant dans leurs atomes.

La présence de ce courant de polarisation fait que le condensateur connecté à la source alternative devient son conducteur.

Voir aussi sur ce sujet : Champ électrique et magnétique : quelles sont les différences ?

Les principales caractéristiques du champ électrique et les principales caractéristiques électriques du milieu (termes de base et définitions)

Intensité du champ électrique

Grandeur vectorielle caractérisant l'action de force d'un champ électrique sur des corps et des particules électriquement chargés, égale à la limite du rapport de la force avec laquelle le champ électrique agit sur un corps stationnaire chargé ponctuellement introduit au point considéré du champ à la charge de ce corps lorsque cette charge tend vers zéro et dont la direction est supposée coïncider avec la direction de la force agissant sur un corps ponctuel chargé positivement.

Une ligne de champ électrique

Une ligne en tout point dont la tangente coïncide avec la direction du vecteur d'intensité du champ électrique.

Polarisation électrique

État de la matière caractérisé par le fait que le moment électrique d'un volume donné de cette substance a une valeur autre que zéro.

Conductivité électrique

Propriété d'une substance de conduire, sous l'influence d'un champ électrique qui ne varie pas dans le temps, un courant électrique qui ne varie pas dans le temps.

Diélectrique

Substance dont la principale propriété électrique est la capacité de se polariser dans un champ électrique et dans laquelle l'existence à long terme d'un champ électrostatique est possible.

Une substance conductrice

Substance dont la principale propriété électrique est la conductivité électrique.

Directeur

Corps conducteur.

Substance semi-conductrice (semi-conducteur)

Une substance dont la conductivité électrique est intermédiaire entre une substance conductrice et un diélectrique et dont les propriétés distinctives sont : une dépendance prononcée de la conductivité électrique à la température ; modification de la conductivité électrique en cas d'exposition à un champ électrique, à la lumière et à d'autres facteurs externes ; dépendance importante de sa conductivité électrique à la quantité et à la nature des impuretés introduites, ce qui permet d'amplifier et de corriger le courant électrique, ainsi que de convertir certains types d'énergie en électricité.

Polarisation (intensité de polarisation)

Une grandeur vectorielle caractérisant le degré de polarisation électrique du diélectrique, égale à la limite du rapport du moment électrique d'un certain volume du diélectrique à ce volume lorsque celui-ci tend vers zéro.

Constante électrique

Quantité scalaire caractérisant le champ électrique dans une cavité, égale au rapport de la charge électrique totale contenue dans une certaine surface fermée au flux du vecteur d'intensité du champ électrique à travers cette surface dans le vide.

Susceptibilité diélectrique absolue

Quantité scalaire caractérisant la propriété d'un diélectrique à être polarisé dans une masse électrique, égale au rapport de l'amplitude de la polarisation à l'amplitude de l'intensité du champ électrique.

Sensibilité diélectrique

Le rapport de la susceptibilité diélectrique absolue au point considéré du diélectrique à la constante électrique.

Déplacement électrique

Quantité vectorielle égale à la somme géométrique de l'intensité du champ électrique au point considéré multipliée par la constante électrique et la polarisation au même point.

Constante diélectrique absolue

Quantité scalaire caractérisant les propriétés électriques d'un diélectrique et égale au rapport de l'amplitude du déplacement électrique sur l'amplitude de la tension du champ électrique.

La constante diélectrique

Le rapport de la constante diélectrique absolue au point considéré du diélectrique à la constante électrique.

Ligne électrique de déplacement

Une droite en tout point dont la tangente coïncide avec la direction du vecteur de déplacement électrique.

Induction électrostatique

Phénomène d'induction de charges électriques sur un corps conducteur sous l'influence d'un champ électrostatique extérieur.

Champ électrique stationnaire

Le champ électrique des courants électriques qui ne changent pas dans le temps, à condition que les conducteurs porteurs de courant soient fixes.

Champ électrique potentiel

Un champ électrique dans lequel le rotor du vecteur d'intensité du champ électrique est partout égal à zéro.

Champ électrique de Foucault

Un champ électrique dans lequel le rotor du vecteur d'intensité n'est pas toujours égal à zéro.

La différence de potentiels électriques en deux points

Quantité scalaire caractérisant un champ électrique potentiel, égale à la limite du rapport du travail des forces de ce champ, lorsqu'un corps ponctuel chargé positivement est transféré d'un point donné du champ à un autre, à la charge de ce corps , lorsque la charge du corps tend vers zéro (sinon : égale à l'intégrale linéaire de l'intensité du champ électrique d'un point donné à un autre).

Potentiel électrique en un point donné

La différence entre les potentiels électriques d'un point donné et d'un autre point spécifié mais choisi arbitrairement.

Capacité électrique d'un seul conducteur

Quantité scalaire caractérisant la capacité d'un conducteur à accumuler une charge électrique, égale au rapport de la charge du conducteur à son potentiel, en supposant que tous les autres conducteurs sont infiniment distants et que le potentiel du point infiniment distant est supposé nul.

Capacité électrique entre deux conducteurs simples

Valeur scalaire égale à la valeur absolue du rapport de la charge électrique d'un conducteur à la différence des potentiels électriques de deux conducteurs, à condition que ces conducteurs aient la même amplitude mais des signes opposés et que tous les autres conducteurs soient infiniment distants.

Condenseur

Un système de deux conducteurs (plaques) séparés par un diélectrique conçu pour utiliser la capacité entre les deux conducteurs.

Capacité du condensateur

La valeur absolue du rapport de la charge électrique sur l'une des plaques du condensateur à la différence de potentiel entre elles, à condition que les plaques aient des charges de même amplitude et de signe opposé.

Capacité entre deux conducteurs dans un système de fils (capacité partielle)

La valeur absolue du rapport de la charge électrique de l'un des conducteurs inclus dans le système de conducteurs à la différence de potentiel entre celui-ci et un autre conducteur, si tous les conducteurs, à l'exception de ce dernier, ont le même potentiel ; si le sol est inclus dans le système de fils considéré, son potentiel est pris égal à zéro.

Champ électrique tiers

Le champ causé par des processus thermiques, des réactions chimiques, des phénomènes de contact, des forces mécaniques et d'autres processus non électromagnétiques (en examen macroscopique); caractérisé par un fort effet sur les particules chargées et les corps situés dans la zone où ce champ existe.

Champ électrique induit

Un champ électrique induit par le champ magnétique variant dans le temps.

Force électromotrice E. d. S.

Grandeur scalaire qui caractérise la capacité d'un champ électrique externe et induit à induire un courant électrique égal à l'intégrale linéaire de l'intensité des champs électriques externe et induit entre deux points le long du chemin considéré ou le long du circuit fermé considéré.

Tension

Une quantité scalaire égale à l'intégrale linéaire de l'intensité du champ électrique résultant (électrostatique, stationnaire, externe, inductif) entre deux points le long du chemin considéré.