Էլեկտրական դաշտ զուգահեռ թիթեղներում
Էլեկտրական դաշտը ֆիզիկայի հիմնարար հասկացություն է, որը պատկերում է էլեկտրականորեն լիցքավորված մարմինների փոխազդեցությունը: Շատ գործնական կիրառություններում, մասնավորապես՝ ճարտարագիտության և էլեկտրոնիկայի ոլորտներում, մենք հաճախ հանդիպում ենք իրավիճակների, երբ էլեկտրական դաշտ է առաջանում լիցքավորված զուգահեռ թիթեղների կողմից: Այս զուգահեռ թիթեղներն ունեն լայն կիրառություն՝ կոնդենսատորներից և բժշկական սարքերից մինչև տարբեր էլեկտրոնային սարքավորումներ: Այս հոդվածում մանրամասն կքննարկվի զուգահեռ թիթեղների էլեկտրական դաշտը՝ հիմնական հասկացությունից մինչև դրա գործնական կիրառությունները:
Էլեկտրական դաշտի հիմնական հասկացությունը
Ընդհանուր առմամբ, էլեկտրական դաշտը ստեղծվում է էլեկտրական լիցքի կողմից և կարող է նկարագրվել որպես փոքր դրական լիցքի կողմից տարածության որոշակի կետում տեղադրվող ուժ: Այս մեծությունը նկարագրվում է էլեկտրական դաշտի վեկտոր E-ով, որի միավորներն են՝ Նյուտոն/Կուլոն (N/C) կամ Վոլտ/մետր (V/մ):
Զուգահեռ թիթեղների էլեկտրական դաշտը հասկանալու համար սկսենք Կուլոնի օրենքից, որը նշում է, որ երկու կետային լիցքերի միջև գործող ուժը ուղիղ համեմատական է լիցքերի մեծություններին և հակադարձ համեմատական է դրանց միջև հեռավորության քառակուսուն։ Սակայն, զուգահեռ թիթեղների դեպքում մենք գործ ունենք մակերեսային լիցքերի բաշխման հետ, այլ ոչ թե կետային լիցքերի։
Բեռնված զուգահեռ թիթեղներ
Դիտարկենք երկու զուգահեռ հաղորդիչ թիթեղներ, որոնք տեղադրված են միմյանց դիմաց՝ դրանց միջև փոքր d հեռավորությամբ։ Մեկ թիթեղն ունի +Q դրական լիցք, մինչդեռ մյուս թիթեղն ունի -Q բացասական լիցք։ Այս իրավիճակը հաճախ օգտագործվում է կոնդենսատորներ կազմելու համար, որոնք տարբեր էլեկտրոնային սխեմաների հիմնական տարրերն են։
Երբ երկու թիթեղներ լիցքավորված են, դրանց միջև առաջանում է էլեկտրական դաշտ։ Թիթեղների մակերեսին լիցքի բաշխման պատճառով (ենթադրելով, որ թիթեղները շատ մեծ են դրանց միջև եղած հեռավորության համեմատ), թիթեղների միջև էլեկտրական դաշտը բավականին միատարր է և կարելի է համարել հաստատուն թիթեղների եզրից որոշակի հեռավորության վրա։
Էլեկտրական դաշտ զուգահեռ թիթեղների միջև
Երկու զուգահեռ լիցքավորված թիթեղների միջև էլեկտրական դաշտը կարելի է որոշել Գաուսի օրենքի միջոցով: Գաուսի էլեկտրականության օրենքը նշում է, որ փակ մակերեսով անցնող ընդհանուր էլեկտրական հոսքը ուղիղ համեմատական է այդ մակերեսով պարփակված ընդհանուր լիցքին:
Զուգահեռ թիթեղների համար մենք ընտրում ենք գլանաձև գաուսյան մակերևույթ՝ թիթեղներին ուղղահայաց առանցքով և գլանի երկու ծայրերում գտնվող թիթեղներով։ Խնդրի համաչափության պատճառով էլեկտրական դաշտ E-ն ուղղահայաց է թիթեղների մակերևույթներին և հաստատուն է թիթեղների միջև։
Գաուսյան գլանի մակերեսով էլեկտրական հոսքը ապահովվում է միայն գլանի երկու ծայրերով, որոնք գտնվում են թիթեղների միջև։ Ենթադրելով, որ թիթեղների մակերեսը A է, ստանում ենք՝
\[ \Phi = E \cdot A – (-E \cdot A) = 2EA \]
Գաուսի օրենքի համաձայն՝
\[ \Ֆի = \frac{Q_{\text{in}}}{\varepsilon_0} \]
որտեղ Q_{\text{charge}}\)-ը թիթեղների վրա եղած ընդհանուր լիցքն է, իսկ varepsilon_0-ը՝ վակուումի դիէլեկտրիկ թափանցելիությունը։ Քանի որ մեկ թիթեղի վրա եղած լիցքը +Q է,
\[ 2EA = \frac{Q}{\varepsilon_0} \]
Այսպիսով, թիթեղների միջև էլեկտրական դաշտը E է՝
\[ E = \frac{Q}{2A \cdot \varepsilon_0} \]
Սակայն, քանի որ դաշտի առաջացմանը նպաստում է բացասական լիցքավորված թիթեղը, արդյունքում ստացված ընդհանուր էլեկտրական դաշտը կլինի՝
\[ E = \frac{Q}{A \cdot \varepsilon_0} \]
Սա ցույց է տալիս, որ զուգահեռ թիթեղների միջև էլեկտրական դաշտը միատարր է և կախված է միայն լիցքի մեծությունից, թիթեղների մակերեսից և թիթեղների միջև միջավայրի թափանցելիությունից։
Էլեկտրական դաշտի կիրառումը զուգահեռ թիթեղների վրա
Կապասիտոր
Կոնդենսատորները լիցքավորված զուգահեռ թիթեղների ամենատարածված կիրառություններից մեկն են։ Կոնդենսատորը բաղկացած է երկու զուգահեռ հաղորդիչ թիթեղներից, որոնք բաժանված են դիէլեկտրիկով։ Կոնդենսատորները կարող են կուտակել էլեկտրական էներգիա թիթեղների միջև առաջացած էլեկտրական դաշտում։ Կոնդենսատորի տարողունակությունը՝ C, սահմանվում է որպես թիթեղների կողմից կուտակված Q լիցքի և թիթեղների վրայով անցնող V լարման հարաբերակցությունը։
\[ C = \frac{Q}{V} \]
Թիթեղների միջև էլեկտրական դաշտի առկայության դեպքում՝
\[ E = \frac{V}{d} \]
և փոխարինում հզորության մեջ՝
\[ C = \varepsilon_0 \cdot \frac{A}{d} \]
Ճնշման սենսորներ և էլեկտրոնային մանրադիտակներ
Զուգահեռ թիթեղների միջև էլեկտրական դաշտը օգտագործվում է նաև կոնդենսատորային ճնշման սենսորներում, որտեղ ճնշման պատճառով թիթեղների միջև հեռավորության փոփոխությունը կարող է չափվել կոնդենսատորի փոփոխությունների միջոցով: Էլեկտրոնային մանրադիտակում զուգահեռ թիթեղների միջև միատարր էլեկտրական դաշտն օգտագործվում է էլեկտրոնների հոսքը արագացնելու և ուղղորդելու համար:
Էլեկտրոնային էկրան
Հեղուկ բյուրեղային էկրանները (LCD) օգտագործում են զուգահեռ թիթեղների միջև եղած էլեկտրական դաշտը՝ հեղուկ բյուրեղային մոլեկուլների կողմնորոշումը կարգավորելու համար, այդպիսով վերահսկելով լույսի անցումը և ստեղծելով էկրանի պատկեր։
Եզրակացություն
Երկու զուգահեռ թիթեղների միջև համասեռ էլեկտրական դաշտը բազմաթիվ առավելություններ է առաջարկում տեխնոլոգիական լայն շրջանակի կիրառություններում: Ե՛վ ակադեմիական, և՛ գործնական պայմաններում զուգահեռ թիթեղների էլեկտրական դաշտի ըմբռնումը հիմք է հանդիսանում կոնդենսատորների, սենսորների և տարբեր այլ էլեկտրոնային սարքերի մեր ըմբռնման համար: Ֆիզիկական նախագծման և ֆիզիկական սկզբունքների միջոցով լիցքի հոսքի կառավարումը այս համակարգերը դարձնում է տեխնոլոգիական նորարարության հիմնական տարր՝ դասականից մինչև ժամանակակից ժամանակներ:
Զուգահեռ թիթեղների էլեկտրական դաշտերի հատկությունների և հաշվարկների մեջ խորանալով՝ մենք ոչ միայն ամրապնդում ենք էլեկտրականության և մագնիսականության տեսական հիմքերը, այլև բացում ենք դռներ նորարարական կիրառությունների համար, որոնք համընթաց են համաշխարհային տեխնոլոգիական զարգացումներին։
