close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

- КУРСИ

код для вставкиСкачать
Лекция 1
Раздел 1. ЭЛЕКТРОСТАТИКА
Тема 1.1: ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
План лекции:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Вступление.
Электричество и электротехника.
Частицы и электрические заряды.
Электростатические силы. Закон Кулона.
Напряженность электрического поля.
Работа. Потенциал.
Проводники в электрическом поле.
Поляризация диэлектриков. Диполь.
Конденсатор.
Литература и источники информации:
[1] Учебная программа по дисциплине «Основы теории цепей» для курсантов
специальности 5.05110302 «Эксплуатация авиационных электрофицированных комплексов»,
Лискова А.П. преподаватель высш.кат., ККНАУ, Кривой Рог, 2012 (перевод с укр.).
[2] Примерная программа дисциплины «Теоретические основы электротехники»,
изд.офиц., М.: ГКРФВО, 1996, ресурс [http://www.edu.ru/db/portal/spe/progs/pf.0011.htm].
[3] Рабочая учебная программа по дисциплине «Основы теории цепей» для курсантов
специальности 5.05110302 «Эксплуатация авиационных электрофицированных комплексов»,
Ситник Н.М. преподаватель ІІ кат., ККНАУ, Кривой Рог, 2012 (перевод с укр.).
[4] Евдокимов Ф. Е. Теоретические основы электротехники: Учебник для техникумов.5-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. Школа, 1981. - 488 с., ил.
[5] Л. Р. Нейман и К. С. Демирчан Теоретические основы электротехники в 2-х томах.
- Энергия. Ленинградское отделение, 1967. - 526 с.: ил.
[6] Мир физики и техники, Шатенье Г., Боэ М., Буи Д., Вайан Ж., Веркиндер: Д.
Учебник по общей электротехнике. - М.: Техносфера, 2009. - 626 с.: ил.
[7] Грабовский Р.И. Курс физики. Учеб. Пособие для с/х ин-тов. Изд. 4-е, перераб. и
доп. М., «Высш. Школа», 1974. - 552 с. с ил.
Вступление
[1]
Основная цель курса ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЦЕПЕЙ — обеспечение фундаментальной подготовки
курсанта, обучающегося по направлению АВИОНИКА.
Основная задача курса — предоставление курсантам знаний по ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И
МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ постоянного и переменного токов в установишихся и переходных
режимах с целью их использования в расчетах сложных электромагнитных явлений,
которые наблюдаются в авиационном електрооборудовании, установках и сетях
электроснабжения.[1]
[2]
Курс ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЦЕПЕЙ (или Теория цепей) - первая содержательная часть курса
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ, полное изучение которого является частью
подготовки бакалавра по направлению ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА.
Содержание курса ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ (ТОЭ) в соответствии с
последовательностью изучения условно можно разделить на следующие части:
1. Теория цепей.
2. Анализ линейных и нелинейных электрических цепей.
3. Теория электромагнитного поля.
Первая, именуемая "Теория цепей" ("Основы теории цепей"), содержит обобщение
понятий и законов из области электромагнитных явлений на основе сведений,
полученных в курсе физики, и развитие формулировок и определений основных понятий и
законов теории электрических и магнитных цепей, относящихся ко всем разделам курса.
Здесь формулируются основные физические понятия курса ТОЭ, что имеет большое
значение для правильной математической формулировки задач, решаемых методами,
излагаемыми в последующих разделах курса.
Предмет курса ТОЭ составляют ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ и их прикладное применение
для создания, передачи и распределения электроэнергии как универсального посредника
между источниками энергии и потребителями, для решения проблем элетромеханики,
элетротехнологии, передачи и распределения информации, электроники, автоматики,
управления, информационно-измерительной и вычислительной техники.[2]
[3]
Длительность курса составляет 135 аккадемических часов. Из них на самостоятельную
работу курсантам отводится 75 часов. Аудиторные занятия включают в себя проведение
20 лекций и 10 практических работ, а также 8 часов консультаций.
Зачет - дифференцированный, по результатам выполненных практических работ,
индивидуальных заданий самостоятельного обучения, оценок тематического контроля,
полученных в ходе выборочного опроса и участия в дискуссиях.
Разделы дисциплины:
1. Электростатика, 14 часов.
2. Электрические цепи постоянного тока, 34 часа.
3. Магнитные цепи, 16 часов.
4. Электрические цепи переменного тока, 43 часа.
5. Трехфазные цепи переменного тока, 16 часов.
6. Переходные процессы в цепях, 12 часов.[3]
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
[4]
Из всех видов энергии в настоящее время наиболее широко применяется
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ЭНЕРГИЯ, которую в практике обычно называют ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ.
Энергия — это количественная мера движения и взаимодействия всех форм материи. Для
любого вида энергии можно назвать материальный объект, который является ее
носителем. Механическую энергию несут, например, вода, падающая на лопасти
гидротурбины, заведенная пружина, тепловую — нагретый газ, пар, горячая вода.
Носителем электрической энергии является особая форма материи — ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ
ПОЛЕ, главная особенность которого состоит в том, что оно оказывает силовое
воздействие на электрически заряженные частицы, зависящее от их скорости и величины
заряда. Это свойство электромагнитного поля является основой связанных между собой
электрических и магнитных явлений, известных из курса физики — взаимодействия
электрически заряженных или намагниченных тел, электрического тока,
электромагнитной индукции и др.
Использованием этих явлений для получения, передачи и преобразования электрической
энергии занимается ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. Применение электромагнитного поля и его энергии
для передачи информации без проводов — задача РАДИОТЕХНИКИ.
Широкое применение электрической энергии объясняется ее ценными свойствами,
возможностью эффективного преобразования в другие виды энергии (механическую,
тепловую, световую, химическую) с целью приведения в действие машин и механизмов,
получения тепла и света, изменения химического состава вещества, производства и
обработки материалов и т. д.
ЧАСТИЦЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАРЯДЫ
[5]
Элементарные частицы материи, обладающие электрическими зарядами (например,
электрон — отрицательным зарядом, протон — положительным), являются важнейшими
структурными элементами атомов вещества (табл. 1).
Элементарные заряженные частицы входят в состав атомов и молекул вещества, но они
могут быть и в свободном состоянии. Они находятся в непрерывном движении и окружены
электромагнитным полем. Обладающие электрическим зарядом частицы и их
электромагнитное поле представляют собой особый вид материи — особый в том смысле,
что ему присущи особые электромагнитные свойства, не учитываемые при рассмотрении
других, например механической, форм движения материи.
Таблица 1. Частицы и заряды. [6]
Электрический заряд этих частиц является их важнейшим физическим свойством,
характеризующим их взаимосвязь с собственным электромагнитным полем и их
взаимодействие с внешним электромагнитным полем.
Обладающие зарядом элементарные частицы и их электромагнитное поле представляют
собой единое целое. Нельзя указать точной границы между частицей с электрическим
зарядом и ее электромагнитным полем. Вместе с тем все же можно полагать, что
частица и ее электрический заряд, например заряд электрона, протона и т. д.,
сосредоточены в весьма малой области пространства.
Электрический заряд элементарной частицы, как и сама частица, занимает только
некоторую ограниченную область пространства. В пространстве, окружающем эту область
(пустоте), существует связанное с обладающей зарядом частицей электромагнитное
поле, а объемная плотность электрического заряда равна нулю.
Обладающую зарядом элементарную частицу вещества нельзя мыслить без ее
электромагнитного поля, однако электромагнитное поле может существовать в свободном
состоянии, отделенное от частицы. Таковым является фотон, а также электромагнитное
поле, излученное антенной.
Количественно электрический заряд частицы материи или тела может быть определен
только по их взаимодействию с другой электрически заряженной частицей или другим
заряженным телом или же по их взаимодействию с внешним электромагнитным полем.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ есть особый вид материи, отличающийся непрерывным
распределением в пространстве (электромагнитные волны, поле заряженных частиц) и
обнаруживающий дискретность структуры (фотоны), характеризующийся в свободном
состоянии способностью распространения в пустоте (при отсутствии сильных
8
гравитационных полей) со скоростью, близкой к 3⋅10
м/сек, оказывающий на
заряженные частицы силовое воздействие, зависящее от их скорости.
В зависимости от условий наблюдения электромагнитное поле проявляется в целом или
как одна из двух его сторон: ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ или МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. [4]
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД есть свойство частиц материи (вещества) или тел,
характеризующее их взаимосвязь с собственным электромагнитным полем и их
взаимодействие с внешним электромагнитным полем; имеет два вида, известные как
положительный заряд (заряд протона, позитрона и др.) и отрицательный заряд (заряд
электрона и др.); количественно определяется по силовому взаимодействию тел,
обладающих электрическими зарядами.
Единицей электрического заряда (количества электричества) в системе единиц МКСА
является КУЛОН (1 Кл).
[4]
Обычным состоянием окружающих нас тел является состояние электрически нейтральное,
хотя они и состоят из частиц, имеющих электрический заряд, что объясняется
равенством общего положительного заряда ядер атомов общему отрицательному заряду
электронов. Тело может получить электрический заряд в результате какого-либо
процесса, который приведет к неравенству в объеме тела или части его положительного
и отрицательного зарядов. В обоих случаях заряженные частицы не попадают, а
передаются от одного тела другому или перемещаются в данном теле, т.е. Происходит
пространственное разделение положительно и отрицательно заряженных частиц.
Поэтому электрический заряд тела (системы тел) всегда равен алгебраической сумме
элементарных электрических зарядов.
ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ тел может быть осуществлена трением, электростатической индукцией или
в результате других физических и химических процессов.
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ СИЛЫ. ЗАКОН КУЛОНА
[4], [6]
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ характеризуется воздействием на электрически заряженную частицу
с силой, пропорциональной заряду частицы и не зависящей от ее скорости.
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ действует на движущиеся заряды с силой пропорциональной их скорости
и направленно перпендикулярно вектору скорости.
Неподвижное тело, обладающее электрическим зарядом, так же как и неподвижная
элементарная заряженная частица, окружено электрическим полем. Электрическое поле
неподвижных заряженных тел в отсутствие в них электрических токов называется
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ.
Рис.1. Притяжение и отталкивание двух электрических зярядов. [6]
ЗАКОН КУЛОНА: величина силы (модуль сил притяжения и отталкивания), с которой на
каждое из двух точечных заряженных тел, расположенных в вакууме, действует их общее
электрическое поле, пропорциональна произведению зарядов этих тел и обратно
пропорционально квадрату расстояния между ними:
где ε — абсолютная проницаемость среды. В вакууме (и в почти сухом воздухе)
НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
[4],[6]
НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ Е — векторная величина, характеризующая
электрическое поле и определяющая силу, действующую на заряженную частицу (тело) со
стороны электрического поля. В численном выражении напряженность электрического
поля равна отношению силы, действующей на заряженную частицу (пробное тело), к ее
заряду:
Рис.2. Электрическое поле заряда q.[6]
ЛИНИИ НАПРЯЖЕННОСТИ (силовые линии) электрического поля используются для наглядного
изображения электрического поля и представляют собой радиальные прямые, проведенные
через точку, в которой находится одиночное точечное заряженное тело, так как в
любой точке окружающего пространства, действующая на подобное тело, направлена по
прямой, соединяющей центры заряженных тел.
Рис.3. Изображение электрического поля уединенных точечных заряженных тел:
(а) заряд тела положительный, (б) заряд тела отрицательный.[4]
Рис.4. Линии напряженности поля группы из двух точечных заряженных тел:
(а) — разноименными; (б) — одноименными.[4]
Электрическое поле называется ОДНОРОДНЫМ (равномерным), если напряженность его во
всех точках одинакова по величине и направлению. Равномерное поле получается между
двумя параллельными пластинами, размеры которых велики по сравнению с расстоянием
между ними.
РАБОТА. ПОТЕНЦИАЛ
[4]
При перемещении свободной частицы с положительным зарядом Q в равномерном
электрическом поле (рис.5) на пути l между точками 1 и 2 совершается работа
А1,2=Fэl=ЕQl единица измерения Дж (Джоуль)=Нм
Рис.5. Свободная заряженная частица в равномерном электрическом поле. [4]
Работа при перемещении заряженной частицы совершается в результате силового
взаимодейтсвия частицы в внешним полем. Численно она пропорциональна напряженности
поля и величине заряда. Работа считается положительной, если заряженная частица
перемещается по направлению сил поля, и отрицательной, если перемещение вызывается
действием посторонних сил против направления сил электрического поля. Работа,
совершаемая силами поля при перемещении заряженной частицы между двумя точками, не
зависит от выбранного пути, а определяется положением начальной и конечной точек
пути (1 и 2), т.е. расстоянием l.
Количество работы зависит не только от величин, относящихся к полю (E и l), но и от
заряда частицы Q. Поэтому с энергетической точки зрения поле вдоль рассматриваемого
пути характеризуется работой, приходящейся на единицу заряда:
U1,2=A1,2/Q единица измерения В (вольт) = Дж/Кл
Это отношение называется ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ НАПРЯЖЕНИЕМ. Электрическое напряжение есть
энергетическая характеристика электрического поля.
U = A/Q = EQl/Q = El
(для равномерного электрического поля).
Энергетической характеристикой поля в каждой точке является ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
ПОТЕНЦИАЛ. Потенциальная энергия частицы в точке 2 (см. рис. 5) равна
А2 = А1 — А1,2.
Отношение потенциальной энергии заряженной частицы, помещенной в данную точку
электрического поля, к величине ее заряда называется электрическим потенциалом поля
в этой точке V. Тогда, напряжение между двумя точками электрического поля равно
разности потенциалов поля в этих точках:
U1,2 = А1,2/Q = (A1 -A2)/Q = V1
—
V2.
Потенциальная энергия заряженной частицы в электрическом поле уменьшается при
переходе от точки к точке по направлению линий напряженности. Она становится равной
нулю за пределами электрического поля, где сила Fэ = 0. При обратном перемещении
заряженной частицы против силы взаимодействия ее с электрическим полем
потенциальная энергия будет возрастать за счет работы внешней неэлектрической силы.
Потенциальную энергию можно определить относительно какого-либо уровня, принятого
за начальный. При теоретических исследованиях за начальный потенциал принимают
потенциал бесконечно удаленной точки поля, где он равен нулю V∞ = 0. В этом случае
потенциал любой точки поля численно равен работе, которая могла бы быть совершенна
в электрическом поле при перемещении частицы, обладающей единицей заряда, из данной
точки в бесконечность. При решении практических задач, относящихся в электрическим
установкам, обычно полагают начальным потенциал земли, который принимают равным
нулю (на борту воздушного судна — это корпус).
Рис. 6. Линии напряженности и эквипотенциальные линий электрического поля.[4]
Потенциал электрического поля изменяется от точки к точке. Вместе с тем в поле
пожно выделить ряд точек, имеющих одинаковый потенциал. Геометрическое место точек
с одинаковым потенциалом называется поверхностью уровня потенциала или
ЭКВИПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ. Эквипотенциальные поверхности равномерного поля —
плоскости, перпендикулярные линим напряженности (рис.6, а), а поля одиночного
точесного заряженного тела — сферические поверхности, центр которых совпадает с
центром поля (рис.6, б).
ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
[4]
В металлическом теле (рис.7) под действием внешнего электрического поля с
напряженностью Е1 свободные электроны перемещаются к одной поверхности, которая
получает отрицательный заряд. Противоположная поверхность получает положительный
заряд.
Рис. 7. Металлическое тело в электрическом поле.[4]
Явление смещения свободных заряженных частиц на поверхность проводника, помещенного
в электрическое поле, называется ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ ИНДУКЦИЕЙ. В результате
разделения зарядов в проводнике создается внутренне электрическое поле с
напряженностью Е2, направленное противоположно внешнему. Движение свободных
электронов в проводнике при электростатической индукции существует кратковременно,
но продолжается до тех пор, пока напряженности внешнего и внутреннего полей не
станут равными. При равенстве Е1 = Е2 разделение зарядов в проводнике прекращается,
так как результирующая напряженность электрического поля равна нулю.
Благодаря наличию в проводнике свободных заряженных частиц электростатическое поле
в нем существовать не может.
Напряжение между двумя любыми точками проводника равно нулю, следовательно,
потенциал его по всех точках один и тот же. Таким образом, проводник представляет
собой эквипотенциальный объем, а его поверхность является эквипотенциальной
поверхностью результирующего электрического поля.
Если в электрическое поле поместить проводник с полостью внутри, то и в этом
случает заряженные частицы будут только на поверхности. Внутри металла и полости
электрическое поле отсутствует. Это свойство проводников используется для
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ЭКРАНИРОВАНИЯ, т.е. для защиты какого-либо устройства от
действия внешнего электрического поля (защищаемый объект помещается в металлическую
коробку или сетку с малыми отверстиями).
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА
[5]
При исследовании электрического поля в веществе необходимо учитывать электрические
свойства вещества. Вещества по их электрическим свойствам могут быть разделены на
три основных класса — проводящие вещества, диэлектрики (изолирующие вещества) и
полу проводящие вещества (полупроводники).
Проводящими веществами (или ПРОВОДНИКАМИ)являются такие, в которых существуют в
значительном количестве обладающие электрическим зарядом так называемые свободные
элементарные частицы (электроны или положительные и отрицательные ионы), приходящие
в упорядоченное движение под действием электрического поля и образующие тем самым в
веществе упорядоченный ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК. Основным свойством проводящих веществ
является ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ, т. е. свойство проводить электрический ток под
действием постоянного электрического поля.
ДИЭЛЕКТРИКАМИ называются вещества, в которых свободные частицы, обладающие зарядом,
имеются в практически ничтожном количестве и на первый план выступает явление
поляризации.
Полупроводящие вещества (или ПОЛУПРОВОДНИКИ) занимают по значению своей
электропроводности промежуточное положение между проводящими веществами и
диэлектриками и отличаются рядом присущих им характерных свойств, связанных с
существованием в них не только электропроводности, обусловленной электронами
проводимости, но также и электропроводности, обусловленной перемещением под
действием электрического поля так называемых «дырок», т. е. незанятых валентными
электронами мест в атомах, что эквивалентно перемещению положительно заряженных
частиц с зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона. Именно наличие
полупроводников с различными типами электропроводности — электронной или n-типа
(negative) и дырочной или р-типа (positive) — открывает возможности создания
большой группы полупроводниковых приборов, обладающих весьма важными
характеристиками (курс «Электроника, микросхемотехника и микропроцессорные
устройства»).
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКА. ДИПОЛЬ
[5]
Диэлектрик не обладает электропроводностью. При внесении диэлектрика во внешнее
электрическое поле элементарные заряженные частицы, входящие в состав молекул
вещества, испытвают со стороны поля механические силы. Эти силы вызывают внутри
молекул СМЕЩЕНИЕ частиц с положительными зарядами в сторону поля и частиц с
отрицательными зарядами в противоположном направлении. Если напряженность поля не
чрезмерно велика, то частицы с положительными и отрицательными зарядами совершенно
разойтись не могут, так как они удерживаются внутриатомными, внутримолекулярными
или междумолекулярными силами.
В результате смещения под действием внешнего поля положительно и отрицательно
заряженных частиц, входящих в состав молекулы, в противоположных направлениях
центры электрического действия первых и вторых уже не будут совпадать, и во внешнем
пространстве молекула будет восприниматься как ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДИПОЛЬ, т. е. как
система двух равных, противоположных по знаку точечных зарядов q и —q, смещенных
друг относительно друга на некоторое расстояние d. Произведение qd называют
ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ МОМЕНТОМ ДИПОЛЯ. Электрический момент диполя рассматривают как
векторную величину, направленную в сторону смещения положительного заряда, и
обозначают р.
Под действием внешнего электрического поля каждая молекула обращается в диполь, и
диэлектрик оказывается в ПОЛЯРИЗОВАННОМ СОСТОЯНИИ (рис.8.1 и 8.2). Рассмотренные
диполи именуют квазиупругими диполями. К диэлектрикам, молекулы которых обладают
такими свойствами, относятся, например, газы: водород, кислород, азот.
Существует другой класс изолирующих веществ, молекулы которых обладают отличным от
нуля электрическим моментом даже при отсутствии внешнего поля. Такие молекулы
называют ПОЛЯРНЫМИ. В виде примера укажем газ хлористый водород (Нсl), молекулы
которого состоят из положительного иона водорода и отрицательного иона хлора,
находящихся на некотором расстоянии друг от друга, т. е. являются диполями.
Тепловое движение приводит диполи в хаотическое расположение, и электрические поля
отдельных диполей взаимно нейтрализуются во внешнем пространстве. Если внести такое
вещество во внешнее поле, то диполи будут стремиться расположиться своими осями
вдоль линий поля. Однако этому упорядочению расположения препятствует тепловое
движение. В результате произойдет лишь некоторый поворот диполей в направлении поля
и диэлектрик окажется в определенной мере поляризованным. При этом к эффекту
ориентации осей диполей обычно добавляется эффект деформации молекул.
Рис.8.1 и 8.2. Поляризация различных типов диэлектриков:
8.1 (б, в) — электронная поляризация(поляризация диэлектриков, состоящих из неполярных молекул),
8.2 (б) ориентационная или дипольная поляризация (поляризация диэлектриков, состящих из полярных
молекул), (г) ионная поляризация (поляризация диэлектриков, являющихся ионными красталами). [7]
Степень электрической поляризации диэлектрика в данной точке характеризуют
векторной величиной, называемой ПОЛЯРИЗОВАННОСТЬЮ или ИНТЕНСИВНОСТЬЮ ПОЛЯРИЗАЦИИ, и
обозначают буквой Р:
P = N1p = N1qd,
где N1 = dN/dV — число диполей (молекул), отнесенное к единице объема вещества. Опыт
показывает, что в полях, с которыми мы имеем дело на практике, для всех таких
веществ поляризованность пропорциональна напряженности поля, т.е.
P = αE.
Эта пропорциональность имеет место и для диэлектриков с полярными молекулами. При
этом она нарушается лишь при очень сильных полях, когда почти все диполи
ориентируются вдоль внешнего поля. Коэффициент α называют АБСОЛЮТНОЙ
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТЬЮ вещества. [5]
[7]
При исчезновении внешнего поля исчезает и поляризация диэлектрика, так как тепловое
движение сразу же разрушает ориентацию молекул. Существует, однако, и такие
диэлектрики, называемые СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКАМИ, у которых значительная поляризация и
после исчезновения поля. Это объясняется тем, что в сегнетоэлектриках имеются
области самопроизвольной поляризации: микроскопические объемы, в каждом из которых
все дипольные молекулы ориентированы одинаково. Внешнее поле поворачивает в
сегнетоэлектрике не отдельные полярные молекулы, а целые полярные объемы. После
исчезновения электрического полы тепловое движение сможет дезориентировать такие
объемы только в случае достаточно высокой температуры. В противном случае
сегнетоэлектрик остается поляризованным и после исчезновения поля. Типичными
сегнетоэлектриками являются сегнетова соль и титанат бария.
В некоторых случаях поляризация диэлектриков проявляется под действием механических
напряжений (механическая деформация). Таким свойством обладают некоторые кристаллы
(кварц, турмалин и др.). При сжатии пластинки такого кристала, вырезанной в
определенной направлении, ее плоскости оказываются равномерно заряженными и внутри
пластинки возникает электрическое поле. При растяжении пластинки ее полярность и
направление поля изменяются на противоположные. Это явление называется
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЭФФЕКТОМ, а соотвествующие вещества — ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКАМИ (от
греческого слова «пьезо» - сжимаю). Существует и обратный пьезоэлектричский эффект
(явялющийся частным случаем ЭЛЕКТРОСТРИКЦИИ): во внешнем электрическом поле
пластинка пьезоэлектрика деформируется вдоль поля (сжимается или растягивается в
зависимости от направления поля).
Пьезоэлектрический эффект используется в технике для измерения быстро изменяющихся
давлений и для исследования ультразвуковых колебаний. Обратный пьезоэлектрический
эффект используется для возбуждения ультразвуковых колебаний.
КОНДЕНСАТОР
[6]
Конденсатор (от лат. сondensare — уплотнять, сгущать) состоит из из двух
металлических обкладок, разделенных диэлектриком абсолютной проницаемости ε. Между
атомами и молекулами диэлектрика нет никаких носителей заряда, его проводимость
равна теоретически нулю. Когда к обкладкам А и В конденсатора прикладывается
напряжение VA — VB, электронное облако атомов притягивается, возникает электрическое
поле, оставляя за собой часть атомов, ионизированных положительно, получается
электрический двухполюсник (рис.9). Диэлектрик, в общем нейтральный, на сторонах,
близких к обкладкам, поляризован электрическими диполями. Устанавливаются заряды -Q
и +Q. Этой поляризации боковых сторон соответстует обратная поляризация обкладок А
и В — заряды +Q и -Q. Эти поверхностные заряды мобильны. Пластины только создают
электрическое поле Е, воздействующее на диэлектрик. Заряды +Q и -Q, образующиеся на
облкадках, зависят только от диэлектрика.
Рис.9. Иллюстрация устройства и действия конденсатора. [6]
С ростом приложенного к обкладкам конденсатора напряжения повышается и
электрическое поле. Вблизи предельного значения напряженности Elim, называемого
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТЬЮ, притянутые молекулы «разрываются» и, освобождая
электроны, ионизируются. Ионы создают ток, локально разрушающий диэлектрик.
Говорят, что диэлектрик или конденсатор «пробит». Он больше не пригоден для
использования. Предельной напряженности поля соотвествует предельное напряжение:
(VA — VB)lim.
Основной характеристикой конденсатора является его ЁМКОСТЬ, характеризующая
способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении
конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная
ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная
ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению
ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками:
Q = C( VA — VB) = CU1,2 = CU с единицами измерения Кл = ФВ.
Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до тысяч
микрофарад. Однако существуют конденсаторы (ионисторы) с ёмкостью до десятков
фарад.
Емкость электрического конденсатора зависит от диэлектрический проницаемости
диэлектрика, заполняющего конденсатор, и от формы и размеров его обкладок. По форме
обкладок различают плоские, цилиндрические, сферические конденсаторы.
Ёмкость плоского конденсатора (рис. 10), состоящего из двух параллельных
металлических пластин площадью S каждая, расположенных на расстоянии d друг от
друга, в системе СИ выражается формулой:
С = ε0εrS/d с единицей измерения Ф (фарада),
где ε0 — абсолютная проницаемость вакуума (и практически сухого воздуха,
электрическая постоянная ε0 = 8,85*10-12 Ф/м), εr — относительная по отношению к
вакууму проницаемость среды (безразмерная, в вакууме равна единице). Эта формула
справедлива, лишь когда d много меньше линейных размеров пластин.
Фарада — это очень большая величина. Обычно используют ее доли (мФ, мкФ, нФ, пФ).
Рис.10. Накопленный конденсатором заряд.[6]
ЭНЕРГИЯ, запасенная заряженным до постоянного напряжения U плоским электрическим
конденсатором, равна:
W = CU2/2 = QU/2 = Q2/2C с единицами измерения Дж.
Энергия заряженного конденсатора сосредоточена в его электрическом поле.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа