孤立物体的自电容

电器工程 电容器 电容 收费 距离
2022-01-18 04:32:18

有几次我被提醒,一个物体可以有自电容,它只是没有向我注册,这是怎么回事。我相信有一个很好的解释。这是我通常给出的解释,但我仍然没有理解当只有一个“电极”时可以存在电容:-

在此处输入图像描述

这意味着,如果外球体与内球体相距甚远,则公式可简化为:-

电容 =因为4πϵ0×a1b=0

这被用作中间物体具有自电容的论据

将此视为以下证明。也许我是愚蠢的?


编辑问一个直接相关的问题: -

我已经正确计算出半径为 1 毫米的球将拥有 0.111pF 的所谓“自电容”。如果存在两个这样的球并且彼此相距一百万英里(在一个空的宇宙中)它们之间的电容是否会大约等于 0.0555pF,即 0.111pF 的一半?这个“猜测”是基于一个 1mm 球到无限球的电容为 0.111pF,而从无限球到另一个球的电容是另一个 0.111pF。

因此,将 2 个相同值的电容器串联起来,净电容减半。我不敢相信这是真的,但我不确定。

4个回答

您必须记住,整个电子领域是对带电粒子相互吸引和排斥的基本物理原理的抽象。

让我们从这个角度看一个孤立的球。

从带中性的球开始。球体上带正电和带负电的粒子数量相等。他们相互平衡。

如果我们想让电流流入球,我们需要将带电粒子推到球上。这将需要工作,因为这些带电的同带电粒子相互排斥。我们推到球体上的带电粒子越多,它就越难推动更多,因为有更多的力排斥新的粒子。我们添加到球上的次数越多,添加更多电荷所需的力就越大。

如果我们把球做得更大,带电粒子就会有更多的空间散开。因此,对于存储在球上的给定数量的带电粒子,添加给定额外电荷量所需的力对于大球来说将小于小球。

我们这里说的力就是电压,球的大小就是它的电容。

从这个角度来看,希望它是有道理的,为什么一个孤立的物体可以有电容。

一个标准的电子电容器实际上只是两个球(或更可能是板),它们彼此相距一定距离。在两个球相距无限远的极限下,上述观点仍然完美——请记住,将带电粒子从一个板移动到另一个板需要双倍的力,因为你不仅必须克服你要加入的球的排斥力,你还必须克服你要拿的球的吸引力。当您将球移得更近时,它们开始相互作用,并使电荷更容易移动,因为不平衡开始抵消。球离得越近,将电荷从一个转移到另一个所需的力就越小(或者在给定的力下可以移动的电荷越多)。因此,随着电容器的极板越来越近,

在一些几何学和微积分的帮助下,所有数学都完美地运行并直接从库仑定律得出。

我强烈推荐这本书...

在此处输入图像描述

物质与相互作用,第二卷:电磁相互作用

(在这里可以体验这种方法的好论文

它完全改变了我看待电线、电池、电容器和电阻器的方式,并使许多原本令人困惑的事情最终变得有意义。这只是带电粒子相互吸引和排斥。

当你准备好窥探电感器和天线的封面,看看它们也只是相互吸引和排斥的带电粒子(尽管在相对论框架中),那么我强烈推荐这本书......

在此处输入图像描述

伯克利物理课程:电和磁 v. 2

(旧版在公共领域,在这里免费

...这再次深刻地改变了我看待世界的方式。

为了扩展我的评论,这种自电容的概念是一个理论上的概念,就像理想的运算放大器一样;后者具有无限的[开环]增益。在这里,您有一个电容器,极板和第二个之间的距离无限大,参考电极/球体也有无限的面积。当人们遇到这种基于思想实验的理想化时,要问的问题不是它是否存在,而是问为什么它是一个有用的概念。

基本上,这个概念作为距离有限但很大的问题的一阶近似是有用的。例如在此处输入图像描述

那里的“公式 5.4”只是将两个[相同]导体在远距离处的互电容估计为自电容的一半。

类似地,导体(放置在离地相当远的地方)的对地电容(它是互电容)的一阶近似值是导体的自电容。这里的地面近似为无限大。

这里还值得注意的是,两个有限面积电极的互电容与其自电容不同,即使它们之间的距离是无限的。

此外,正如您可能已经发现的那样,“自电容”也用于(例如在变压器环境中)来指代绕组的相互寄生电容这两个是相当不同的概念。我认为前一种自电容概念对估计变压器中的自电容没有多大帮助。


实际上,即使在这里,我也可以证明最后一部分。从 Zangwill,Modern Electrodynamics (p. 140),双导体电容器的电容由下式给出

C=C11C22C122C11+C22+2C12

其中电容系数一般来说,这是一个对称矩阵。所以如果那么,即两个球体[远距离]的电容是一个自电容的一半领域。CijC11=C22C12=0C=C11/2

Banerjee可以看到,随着距离变大,会发生以下情况:

在此处输入图像描述

那里绘制的那些无量纲电容系数很简单:

在此处输入图像描述

这正是我上面所写的非无量纲的。

自电容是非常真实的。我最喜欢的例子是你身体的电容。因此,您应该将另一个电极视为接地。这在地球上永远不会很远。但是,如果它比物体的大小更远,那么您发布的电容公式是一个不错的近似值。(好吧,我是一名物理学家,将身体视为球体没有问题:^)所以试试这个方法来测量你的自电容。

拿出你的 x10 (10 meg) 示波器探头,在一些织物上摩擦给你的身体充电,我的椅子很好用。现在用'范围设置为单次触摸探头的末端并查看衰减。从时间常数确定你的电容。(我大约 200 pF,我正在长出一点啤酒肚)

我将回答这部分问题:

我已经正确计算出半径为 1 毫米的球将拥有 0.111pF 的所谓“自电容”。如果存在两个这样的球并且彼此相距一百万英里(在一个空的宇宙中)它们之间的电容是否会大约等于 0.0555pF,即 0.111pF 的一半?

如您所知,C=Q/V,即 C 是每伏(或给定的“努力”)接受电容器的库仑数。

首先想象一下,您有一个电源,其中一个端子有小球,另一个端子有大球(无限球)。两个球相距很远,因此它们之间的电场影响可以忽略不计。当这个电容器充电时,将电荷放入小球的必要努力将会增加(因为已经放入小球的电荷会排斥新的电荷)。相比之下,从巨大的球中获取电荷几乎是免费的(您可能会从电荷密度的角度来考虑)。因此这个电容器的电容只取决于小球。相反,如果小球靠近大球,它们之间的电影响就不能再忽略了。而且这个新电容的容量会比Cself大,

对于两个小球,同样的论点也适用。当它们无限分离时,电源必须努力为其中一个球充电,但也必须努力从另一个小球上获取电荷。最后,对于给定的力或电压,库仑数将是一半,因此 C=Cself/2。另一方面,如果两个小球靠近,它们之间的电学影响就不能再忽略了,电容会大于Cself/2,这是下界。