Главная » Реферат » Проводники и диэлектрики в электрическом поле реферат

ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ. Проводники и диэлектрики в электрическом поле реферат


Проводники в электрическом поле

Проводниками называются вещества, в которых имеются свободные электрические заряды, способные перемещаться под действием сколь угодно слабого электрического поля. К проводникам относятся металлы, электролиты, ионизованные газы.

Если поместить проводник в электрическое поле, то заряды в проводнике станут перемещаться, положительные по полю, отрицательные - против поля. На одном конце проводника будет скапливаться избыток положительных зарядов, на другом – отрицательных. Это вызовет появление в проводнике собственного поля Е′, направленного против внешнего. Разделение зарядов в проводнике будет происходить до тех пор, пока собственное поле не станет равным внешнему во всех точках проводника. А, следовательно, суммарное поле будет равно 0: Е = Е0 - Е = 0 .

Это значит, что все точки проводника имеют одинаковый потенциал: Е = , следовательно, = const. Из постоянства потенциала вдоль поверхности следует, что силовые линии электрического поля в диэлектриках, окружающих проводник, перпендикулярны к поверхности проводника.

Заряды на противоположных краях проводника называются индуктированными или наведенными. Линии суммарного поля будут частично оканчиваться на отрицательных индуктированных зарядах и вновь начинаться на индуктированных положительных. Эквипотенциальные поверхности будут огибать проводник, а одна из них будет пересекаться проводником.

Возникновение индуктированных зарядов на проводнике, помещенном в электрическое поле, используется для зарядки проводников при помощи электростатических индукционных машин. Если отвести заряд одного знака на другой проводник (например, в землю) и отключить второй проводник, то первый проводник окажется заряженным.

Применив теорему Гаусса, получим, что напряженность поля вблизи поверхности проводника Е = , ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, окружающей проводник.

Рассмотрим электрическое поле, создаваемое проводником с остриями. На больших расстояниях от проводника эквипотенциальные поверхности имеют форму сферы (как у точечного заряда). По мере приближения к проводнику эквипотенциальные поверхности становятся все более сходными с поверхностью проводника.

Вблизи выступов эквипотенциальные поверхности располагаются гуще, следовательно, напряженность поля здесь больше. А значит и плотность зарядов больше. Особенно большой бывает плотность зарядов на остриях. Поэтому напряженность поля вблизи остриев может быть настолько велика, что возникает ионизация молекул газа, окружающего проводник. Ионы противоположного знака притягиваются к проводнику и нейтрализуют его заряд. Ионы того же знака начинают двигаться от проводника, увлекая с собой и нейтральные молекулы газа. В результате возникает движение газа, называемое «электрическим ветром». Заряд проводника уменьшается, он как бы стекает с острия и уносится ветром. Поэтому это явление и называется истечением заряда с острия.

Отсутствие электрического поля внутри проводника, помещенного в электрическое поле, применяется в технике для электростатической защиты приборов и проводов от внешних электрических полей (экранировка). Подобный экран действует, даже если его сделать не сплошным, а в виде густой сетки.

Диэлектрики в электрическом поле.

Диэлектриками называются вещества, не проводящие электрический ток. В идеальном диэлектрике нет свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля. Атомы и молекулы диэлектрика содержат равные количества положительных и отрицательных зарядов и в целом электрически нейтральны. Однако под действием электрического поля в диэлектрике происходит смещение зарядов в пределах атома или молекулы. Это явление называется поляризацией диэлектрика. Различают три типа поляризации: электронную, ионную и дипольную.

Диэлектрики с электронной поляризацией

Это вещества, у которых центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов атомов или молекул совпадают. К ним относятся парафин, бензол, азот, водород и т.д. при внесении во внешнее электрическое поле центры тяжести положительных и отрицательных зарядов смещаются в противоположные стороны на некоторое расстояние. Каждая молекула при этом приобретает дипольный электрический момент, величина которого пропорциональна приложенному внешнему полю. При снятии внешнего поля молекулы возвращаются в исходное состояние и дипольный момент обращается в 0. такие диполи называются упругими.

Диэлектрики с дипольной поляризацией (полярные)

Это вещества, молекулы которых имеют асимметричное строение. При этом центры тяжести положительных и отрицательных зарядов молекулы не совпадают и молекула, даже в отсутствие внешнего электрического поля представляет собой «жесткий» диполь. К ним относятся вода, нитробензол и т.д.

В отсутствие внешнего поля дипольные моменты отдельных молекул, вследствие теплового движения, ориентированы хаотично в пространстве и диэлектрик в целом дипольным моментом не обладает. При помещении в электрическое поле на каждый диполь будут действовать электрические силы, стремящиеся повернуть его вдоль поля. Ориентации диполей по полю будет препятствовать хаотическое тепловое движение. В результате этих противоположных воздействий среднее значение проекций дипольного момента молекул на направление поля станет не равным нулю. Весь диэлектрик в целом будет обладать дипольным моментом, направленным вдоль внешнего поля. Величина момента пропорциональна напряженности поля и обратно пропорциональна абсолютной температуре.

Диэлектрики с ионной поляризацией

К ним относятся вещества, имеющие ионное строение (NaCl, KCl и т.д.). При внесении их в электрическое поле происходит некоторое смещение положительных ионов кристаллической решетки по полю, отрицательных – против поля. Такой диэлектрик в целом также будет обладать дипольным моментом, направленным вдоль внешнего поля и пропорциональным его величине.

studfiles.net

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле  складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля  и внутреннего поля , создаваемого заряженными частицами вещества.

Вещество многообразно по своим электрическим свойствам. Наиболее широкие классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. Типичные проводники – металлы.

В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают не скомпенсированные положительные и отрицательные заряды (рис. 1.5.1). Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.

Индукционные заряды создают свое собственное поле ,  которое компенсирует внешнее поле  во всем объеме проводника:

 (внутри проводника).

Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.

Рисунок 1.5.1.

Электростатическая индукция

Все внутренние области проводника, внесенного в электрическое поле, остаются электронейтральными. Если удалить некоторый объем, выделенный внутри проводника, и образовать пустую полость, то электрическое поле внутри полости будет равно нулю. На этом основана электростатическая защита – чувствительные к электрическому полю приборы для исключения влияния поля помещают в металлические ящики (рис. 1.5.2).

Рисунок 1.5.2.

Электростатическая защита. Поле в металлической полости равно нулю

Так как поверхность проводника является эквипотенциальной, силовые линии у поверхности должны быть перпендикулярны к ней.

В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле   в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные нескомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.

Связанные заряды создают электрическое поле   которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности  внешнего поля. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика. В результате полное электрическое поле  внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше внешнего поля

Физическая величина, равная отношению модуля напряженности  внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности  полного поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества.

Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная и электронная поляризации. Эти механизмы проявляются главным образом при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.

Ориентационная или дипольная поляризация возникает в случае полярных диэлектриков, состоящих из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи – нейтральную совокупность двух зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Дипольным моментом обладает, например, молекула воды, а также молекулы ряда других диэлектриков (h3S, NO2 и т. д.).

При отсутствии внешнего электрического поля оси молекулярных диполей из-за теплового движения ориентированы хаотично, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем равен нулю.

При внесении диэлектрика во внешнее поле   возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле  направленное навстречу внешнему полю  (рис. 1.5.3).

Рисунок 1.5.3.

Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика

Поляризация полярных диэлектриков сильно зависит от температуры, так как тепловое движение молекул играет роль дезориентирующего фактора.

Электронный или упругий механизм проявляется при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не обладают в отсутствие внешнего поля дипольным моментом. Под действием электрического поля молекулы неполярных диэлектриков деформируются – положительные заряды смещаются в направлении вектора  а отрицательные – в противоположном направлении. В результате каждая молекула превращается в электрический диполь, ось которого направлена вдоль внешнего поля. На поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные связанные заряды, создающие свое поле , направленное навстречу внешнему полю  Так происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 1.5.4).

Деформация неполярных молекул под действием внешнего электрического поля не зависит от их теплового движения, поэтому поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры. Примером неполярной молекулы может служить молекула метана Ch5. У этой молекулы четырехкратно ионизированный ион углерода C4– располагается в центре правильной пирамиды, в вершинах которой находятся ионы водорода H+. При наложении внешнего электрического поля ион углерода смещается из центра пирамиды, и у молекулы возникает дипольный момент, пропорциональный внешнему полю.

Рисунок 1.5.4.

Поляризация неполярного диэлектрика

Электрическое поле  связанных зарядов, возникающее при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, изменяется по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля . В очень сильных электрических полях эта закономерность может нарушаться, и тогда проявляются различные нелинейные эффекты. В случае полярных диэлектриков в сильных полях может наблюдаться эффект насыщения, когда все молекулярные диполи выстраиваются вдоль силовых линий. В случае неполярных диэлектриков сильное внешнее поле, сравнимое по модулю с внутриатомным полем, может существенно деформировать атомы или молекулы вещества и изменить их электрические свойства. Однако, эти явления практически никогда не наблюдаются, так как для этого нужны поля с напряженностью порядка 1010–1012 В/м. Между тем, гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.

У многих неполярных молекул при поляризации деформируются электронные оболочки, поэтому этот механизм получил название электронной поляризации. Этот механизм является универсальным, поскольку деформация электронных оболочек под действием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика.

В случае твердых кристаллических диэлектриков наблюдается так называемая ионная поляризация, при которой ионы разных знаков, составляющие кристаллическую решетку, при наложении внешнего поля смещаются в противоположных направлениях, вследствие чего на гранях кристалла появляются связанные (нескомпенсированные) заряды. Примером такого механизма может служить поляризация кристалла NaCl, в котором ионы Na+ и Cl– составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. В отсутствие внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла NaCl (см. Часть I § 3.6 ) электронейтральна и не обладает дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки смещаются в противоположных направлениях, т. е. кристалл поляризуется.

При поляризации неоднородного диэлектрика связанные заряды могут возникать не только на поверхностях, но и в объеме диэлектрика. В этом случае электрическое поле  связанных зарядов и полное поле  могут иметь сложную структуру, зависящую от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле  в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем  строго справедливо только в случае однородного диэлектрика, заполняющего все пространство, в котором создано внешнее поле. В частности:

Если в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд Q, то напряженность поля  создаваемого этим зарядом в некоторой точке, и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме:

www.its-physics.org

ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Проводники в электрическом поле.Проводники — это вещества, характеризующиеся наличием в них боль­шого количества свободных носителей зарядов, способ­ных перемещаться под действием электрического поля. К проводникам относятся металлы, электролиты, уголь. В металлах носителями свободных зарядов являются электроны внешних оболочек атомов, которые при взаи­модействии атомов полностью утрачивают связи со «своими» атомами и становятся собственностью всего проводника в целом. Свободные электроны участвуют в тепловом движении подобно молекулам газа и могут перемещаться по металлу в любом направлении.

В металлическом теле (рис. 1.4) под действием внеш­него электрического поля, имеющего напряженность Е, свободные электроны перемещаются навстречу линиям напряженности.

Явление разделения зарядов проводника внешним электрическим полем называется электростатической индукцией.

В результате разделения зарядов в проводнике создается внутреннее электрическое поле с напряжен­ностью Ев, направленное противо­положно внешнему. Под действием поля смещается только часть электронов проводника, необходимая для созда­ния Ев, уравновешивающего Е.

Если бы результирующая напряженность поля внутри проводника была больше нуля, продолжалось бы раз­деление зарядов под ее действием. Внутри проводника электрическое поле отсутствует. Это свойство на прак­тике используется для электростатического экра­нирования, т. е. защиты какого-либо устройства, например измерительного механизма прибора, от влия­ния внешних электрических полей. Прибор помещают в металлический кожух, называемый экраном.

Диэлектрикив электрическом поле.В диэлектриках практически отсутствуют свободные носители зарядов. Все носители зарядов диэлектриков входят в состав их молекул, связаны между собой и под действием внешнего поля могут смещаться лишь на очень малые расстояния: в пределах молекулы или атома.

Многие диэлектрики имеют полярные молекулы. При электрической нейтральности молекулы в целом ее поло­жительный и отрицательный заряды расположены асим­метрично, что позволяет представить полярные молекулы так называемыми электрическими диполями, т. е. как пару разноименных зарядов, находящихся на небольшом расстоянии друг от друга.

При отсутствии внешнего поля молекулы диэлектрика ориентированы произвольно. Во внешнем поле (рис. 1.5)

Рис. 1.5

на каждый диполь действуют две силы, стремящиеся его повернуть. Смещение зарядов или ориентация дипо­лей под действием электрического поля называется поляризацией диэлектрика.

Результатом поляризации диэлектрика является обра­зование в нем собственного электрического поля, направ­ленного встречно внешнему (рис. 1.5.)

Диэлектрик ослабляет электрическое поле. Величина, показывающая, во сколько раз уменьшится напряжен­ность поля, если вместо вакуума применить диэлектрик, называется относительнойдиэлектрической проницаемостью ε.

Диэлектрическая проницаемость — одна из важней­ших характеристик диэлектриков. Ее значения для раз­личных материалов приводятся в справочниках. Так, для слюды ε = 4—6, фарфора 5—7,5, бумаги 2—3, стекла 5,5—10, воздуха 1 и т. д.

Под действием электрического поля в диэлектрике наблюдается рассеяние части энергии поля, которая превращается в теплоту. Значение этой энергии в единицу времени (мощность) принято называть диэлектриче­скими потерями. Диэлектрические потери в постоян­ном электрическом поле обусловлены протекающим через диэлектрик током (в реальном диэлектрике всегда содержится небольшое количество свободных носителей зарядов, создающих ток). В переменном поле к ним добавляются потери, связанные с поляризацией ди­электрика.

Диэлектрические потери вызывают нагрев изоляцион­ных конструкций электроустановок и ухудшают условия их работы.

С другой стороны, нагревание некоторых веществ за счет диэлектрических потерь используется для их сушки или ускорения химических реакций.

Диэлектрики сохраняют свои электроизоляционные свойства до определенных значений напряженности поля. При испытаниях диэлектриков, повышая напряженность электрического поля, достигают таких ее значений, при которых наступает пробой диэлектрика (разрушение его действием сильного электрического поля). Напряжен­ность поля, при которой наступает пробой диэлектрика, называется пробивной напряженностью Еприли электрической прочностью диэлектрика, а напря­жение при пробое — пробивным напряжени­ем Uпр..

Электрическая прочность — основное свойство ди­электриков. Электрическая прочность воздуха в однородном поле — 30 кВ/см, фарфора—150 кВ/см, слюды — 500 кВ/см и т. д.

Рабочие напряженности диэлектриков принимают в несколько раз (например, в 3 раза) меньше их электри­ческой прочности исходя из требований надежности.

Электроизоляционные материалы.Отдельные части электрических устройств, имеющие разные потенциалы (провода электрических линий, обмотки трансформаторов, полюсы генераторов и т. д.) изолируются друг от друга и от земли специальными материалами, которые назы­ваются электроизоляционными. В качестве электроизоля­ционных материалов применяются газообразные, жидкие и твердые диэлектрики.

Из газообразных диэлектриков наибольшее значение имеет воздух, обладающий малыми электропро­водностью и диэлектрическими потерями. Однако электри­ческая прочность воздуха значительно ниже, чем у боль­шинства жидких и твердых диэлектриков.

Жидкие диэлектрики (нефтяные масла, синте­тические жидкости) имеют хорошие электроизоляцион­ные свойства, с их помощью осуществляется гашение дуги в высоковольтных выключателях и охлаждение маслонаполненных аппаратов (за счет циркуляции масла). Недостатком жидких диэлектриков является резкое снижение электроизоляционных свойств при увлажнении и загрязнении.

Из твердых диэлектриков в электрических устройствах применяют:

волокнистые электроизоляционные материалы (ткань, стеклоткань, картон, бумага и др.) — для электроизоля­ции проводов, кабелей, электрических машин, аппаратов, при производстве лакотканей, гибких трубок, слоистых пластиков и т. д.;

слоистые пластики, получаемые прессованием с раз­личными связующими бумаги (гетинакс), тканей (тексто­лит, стеклотекстолит) для изготовления панелей, осно­ваний печатных схем, корпусов, прокладок и других деталей;

слюду и слюдяные изделия — как основной диэлектрик конденсаторов и межэлектродной изоляции в электрон­ных лампах, а также для изоляции электрических машин в тех случаях, если необходима повышенная надежность;

резину — для электроизоляции проводов и кабелей, изготовления гибких трубок, прокладок;

пластмассы — для изготовления фасонных деталей и узлов, требующих сочетания хороших электрических и механических свойств, электрических аппаратов и при­боров, мелких электрических машин и трансформаторов;

керамические материалы — для изготовления высоко­вольтных изоляторов, конденсаторов, каркасов катушек, штепсельных разъемов.

Особую группу твердых диэлектриков составляют сегнетоэлектрики и электреты. Сегнетоэлектрики (сегнетовая соль, титанат бария) в отличие от обычных диэлект­риков обладают способностью самопроизвольно (без внешнего электрического поля) поляризоваться. Они имеют сильную зависимость диэлектрической проницае­мости от напряженности поля, давления и температуры, а также большие значения относительной диэлектри­ческой проницаемости.

Электреты интересны тем, что способны длительное время находиться в наэлектризованном состоянии после снятия внешнего воздействия, вызвавшего поляризацию. Они являются электрическими аналогами постоянных магнитов. Электреты получают из восков и смол, полиме­ров, неорганических диэлектриков, охлаждая их в сильном электрическом поле (термоэлектреты) или облучая све­том фотопроводящие диэлектрики в сильном электри­ческом поле (фотоэлектреты). Применяются электреты в качестве источников постоянного электрического поля в технике связи (микрофоны и телефоны), как чувстви­тельные датчики в дозиметрии, как пьезодатчики и т. д

 

КОНДЕНСАТОРЫ

Электрические конденсаторы предназначены для создания электрического поля и хранения его энергии.

Электрический конденсатор представляет собой два проводника (обкладки), разделенные слоем диэлект­рика. Промышленностью выпускаются бумажные, элект­ролитические, керамические и другие конденсаторы. В бумажном конденсаторе проводниками являются две длинные ленты алюминиевой фольги, а диэлектриком — ленты парафинированной бумаги. В электролитическом конденсаторе роль диэлектрика выполняет тонкий слой окиси на поверхности обкладки из алюминиевой фольги. Конструкция плоского конденсатора показана на рис. 1.6,а; его условное обозначение — на рис. 1.6,б. Конденсатор обладает свойством накапливать и удержи­вать на своих обкладках равные по величине и разные по знаку электрические заряды. Под зарядом q конден­сатора понимают абсолютное значение заряда одной из обкладок.

Конденсатор можно сравнить с газовым баллоном. Баллон заполняется газом под давлением, а конденса­тор заряжается под действием напряжения (рис. 1.7).

Рис. 1.6 Рис. 1.7

Чем больше напряжение, тем больше заряд конденсатора, поэтому «вместимость» конденсатора оценивается не зарядом, а отношением q/U, которое называется емкостью конденсатора:

 

C = q/U. (1.6)

 

Изменение напряжения влечет за собой прямо пропор­циональное изменение заряда конденсатора, поэтому ем­кость конденсатора от напряжения не зависит. Емкость конденсатора численно равна заряду при напряжении один вольт (1).

Единица емкости — фарад (Ф). На практике поль зуются более мелкими единицами — микрофарад (1 мкФ = 10-6 Ф) или пикофарад (1 пФ = 10 -12 Ф). Емкость плоского конденсатора определяется по фор­муле

C = εε0S/d, (1.7)

где S — площадь обкладок; d — расстояние между обкладками. Для создания конденсаторов большой емкости применяют диэлектрики с большой диэлектри­ческой проницаемостью ε.

Следует отметить, что емкостью обладают не только конденсаторы, но и другие элементы электрических устройств, на которых накапливается электрический заряд (провода электрических линий, электроды электронных ламп и др.). Однако нередко емкостью этих устройств принебрегают.

При зарядке конденсатора (рис. 1.7) по проводникам, которыми подключены его обкладки к источнику напря­жения, протекает электрический ток. После зарядки ток отсутствует. Почему? Поступающие в процессе зарядки на обкладки конденсатора заряды отталкивают от себя одноименные вновь прибывающие заряды, т. е. ока­зывают им противодействие. Возрастающее при зарядке напряжение конденсатора Uc направлено встречно току и стремится уравновесить действие напряжения источ­ника U {2).

Зарядка конденсатора продолжается до тех пор, пока Uc < U, и прекращается при

U=Uс

(действие равно противодействию).

Источник напряжения, доставляя заряды на обкладки конденсатора (рис. 1.7), производит работу, значение которой определяется из формулы (1.4): A = Uq. Эта работа численно равна площади графика q(U) (рис. 1.8).

Зависимость заряда q на обкладках конденсатора от напряжения U имеет вид, показанный на рис. 1.9. Площадь графика этой зависимости (по аналогии с рис. 1.8) численно равна энергии электрического поля конденсатора Wэ, которая может быть определена как площадь прямоугольного треугольника:

Wэ = qU/2. (1.8)

На создание электрического поля конденсатора расходуется только

половина работы источника A = qU. Вторая половина этой работы расходуется на нагрев проводов, по которым заряды проходят на обкладки конденсатора.

Из формулы (1.6) q = CU. Подставив это выражение в (1.8), получаем еще одну формулу для энергии конден­сатора:

W3 = CU2/2. (1.9)

Во многих случаях для получения нужной емкости конденсаторы приходится соединять в группу, которая называется батареей. Различают параллельное и по­следовательное соединение конденсаторов.

При параллельном подключении С1,С2, С3 к источнику напряжения (рис. 1.10) все конденсаторы зарядятся до одинакового напряжения, равного напряжению источника U = U1= U2= U3(так как каждый конденсатор присо­единен к полюсам источника). При этом энергия бата­реи Wэ.б , в соответствии с законом сохранения энергии,

Wэ.б=Wэ1+Wэ2+Wэ3(1.10)

Используя формулы (1.9) и (1.10), получаем (учитывая равенство напряжений)

Сб = С1+ С2 + С3

Емкость батареи параллельно соединенных конденса­торов равна сумме емкостей отдельных конденсаторов (3). Рассмотрим последовательное соединение конденсато­ров (рис. 1.11).

На обкладки 1 и 4 заряды поступают от источника питания. Заряды на внутренних обкладках 2 и 3 появляют ся за счет электростатической индукции. В резуль­тате зарядятся все обкладки конденсаторов.

Разряжаясь, батарея отдает заряды с внешних обкла­док. Заряды внутренних обкладок нейтрализуют друг друга, поэтому

qб = q1 = q2

При последовательном соединении конденсаторов за­ряд батареи и каждого конденсатора в отдельности один и тот же (4).

Из формулы (1.6) U — q/C, т. е. при последователь­ном соединении конденсаторов, напряжения на них рас­пределяются обратно пропорционально емкостям от­дельных конденсаторов.

Используя уравнения (1.10) и (1.8) и учитывая равен­ство зарядов, получаем

U=U1+U2

(действие равно сумме противодействий)

Напряжение батареи последовательно соединенных конденсаторов равно сумме напряжений отдельных конденсаторов (5). Поэтому на практике последовательное соединение конденсаторов применяется в тех случаях, когда напряжение источника превышает рабочее напря­жение конденсаторов.

Из положения (5) следует, что q/Cб = q/C1+ q/C2, т. е.

 

l/Cб =l/С1 + l/C2. (1.11)

По этой формуле рассчитывается емкость батареи последовательно соединенных конденсаторов. При после­довательном соединении п одинаковых конденсаторов емкость батареи на основании формулы (1.11)

Сб = С/п.

 

ТЕМА 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ОСТОЯННОГО ТОКА

Похожие статьи:

poznayka.org

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Количество просмотров публикации Проводники и диэлектрики в электрическом поле - 183

Электроемкость. Конденсаторы

Поверхность и всœе точки проводника имеют один и тот же потенциал.

Напряженность направлена в сторону убывания потенциала.

Напряженность поля внутри проводника равна 0, значит ∆φ=0 для любых точек проводника.

(сигма)–поверхностная плотность заряда

Электроемкостью системы из двух проводников принято называть физическая величина, определяемая как отношение заряда q одного из проводников к разности потенциалов Δφ между ними:

В СИ единица электроемкости фарад (Ф):

Величина электроемкости зависит от формы и размеров проводников и от свойств диэлектрика, разделяющего проводники. Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле оказывается сосредоточенным (локализованным) лишь в некоторой области пространства. Такие системы называются конденсаторами, а проводники, составляющие конденсатор, – обкладками.

Плоский конденсатор – система из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделœенных слоем диэлектрика. Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между пластинами; однако, вблизи краев пластин и в окружающем пространстве также возникает сравнительно слабое электрическое поле, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ называют полем рассеяния. В целом ряде задач приближенно можно пренебрегать полем рассеяния и полагать, что электрическое поле плоского конденсатора целиком сосредоточено между его обкладками.

Поле плоского конденсатора

 
Идеализированное поле конденсатора

Для конденсатора с большим числом пластин

Z – число промежутков между пластинами

Работа при зарядке и энергия конденсатора

 
  Параллельное соединœение конденсаторов C = C1 + C2
 
  Последовательное соединœение

При отключении конденсатора , в случае если остается подключенным .

Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объёмам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределœение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля и внутреннего поля, создаваемого заряженными частицами вещества.

Вещество многообразно по своим электрическим свойствам. Наиболее широкие классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всœему объёму проводника. Типичные проводники – металлы. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределœение свободных зарядов, благодаря чему на поверхности проводника возникают положительные и отрицательные заряды. Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.

Индукционные заряды создают свое собственное поле ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности внешнего поля. Этот процесс принято называть поляризацией диэлектрика. В результате полное электрическое поле внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше внешнего поля

Физическая величина, равная отношению модуля напряженностивнешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженностиполного поля в однородном диэлектрике, принято называть диэлектрической проницаемостью вещества.

Ориентационная или дипольная поляризация возникает в случае полярных диэлектриков, состоящих из молекул, у которых центры распределœения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы представляют из себямикроскопические электрические диполи – нейтральную совокупность двух зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Дипольным моментом обладает, к примеру, молекула воды, а также молекулы ряда других диэлектриков (h3S, NO2 и т. д.).

При отсутствии внешнего электрического поля оси молекулярных диполей из-за теплового движения ориентированы хаотично, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе объёма электрический заряд в среднем равен нулю.

При внесении диэлектрика во внешнее поле возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются связанные заряды, создающие поле

referatwork.ru

Тема 13. Проводники и диэлектрики в электростатическом поле

Помещенный в электрическое поле диэлектрик приобретает полярность: та часть его поверхности, в которую входят силовые линии, заряжается отрицательно, а противоположная часть заряжается положительно. Это явление называется поляризацией диэлектрика.

В диэлектрике нет свободных зарядов, которые могли бы перераспределяться под действием поля. Все разноименные заряды в диэлектрике попарно связаны – диполи.

ℓр = qℓ - дипольный момент

Для количественного описания поляризации диэлектрика пользуются векторной величиной – поляризованность, определяемый как дипольный момент единицы объема диэлектрика.

рV – дипольный момент

pi – дипольный момент одной молекулы

Для большого класса диэлектриков (кроме сегнетоэлектриков) поляризованность зависит от напряженности поля Е

Р = 0Е

 - диэлектрическая восприимчивость вещества.

Поляризация диэлектрика в электрическом поле ведет к ослаблению этого поля внутри диэлектрика.

+ Е0 - Пусть напряженность поля между двумя

параллельно заряженными пластинами,

Е находящимися в вакууме - Е0. Между

пластинами поместим однородный

диэлектрик.

Поляризуясь, он создаст, свое собственное поле напряженностью Е, направленное против внешнего поля Е0. Поэтому результирующая Е=Е0 - Е.

Отношение напряженностиЕ0 поля в вакууме к напряженности Е поля в однородной диэлектрической среде при неизменных зарядах, создающих поле, называется относительной диэлектрической проницаемостью  этой среды.

 - характеризует свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле, безразмерная величина.

0    а – абсолютная диэлектрическая проницаемость

Сегнетоэлектрики – диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью, т.е. поляризованность в отсутствие внешнего электрического поля. При отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрик представляет собой как бы мозаику из доменов – областей с различными направлениями поляризованности. При внесении сегнетоэлектрика во внешнее поле происходит переориентация дипольных моментов доменов по полю, а возникшее при этом суммарное электрическое поле доменов будет поддерживать их ориентацию и после прекращения действия внешнего поля.

Поэтому диэлектрическая проницаемость  имеет большие значения. Сегнетоэлектрические свойства сильно зависят от температуры. Для каждого сегнетоэлектрика имеется определенная температура, выше которой его необычные свойства исчезают и он становится обычным диэлектриком. Эту температуру называют точкой Кюри.

Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков зависит от напряженностиЕ поля в веществе, а для других диэлектриков эти величины являются характеристиками вещества. В сегнетоэлектриках наблюдается явление диэлектрического гистерезиса (запаздывания).

Р Как видно из рисунка, с

2 увеличением напряженности

Р0 внешнего поля поляризован-

ность Р растет, достигая

-Ес 1 3 насыщения (кривая 1).

Е Уменьшение поляризован-

ности Р с уменьшением

петля напряженности Е происхо-

гистерезиса дит по кривой 2 и при Е = 0

сегнетоэлектрик сохраняет

остаточную поляризованность Р0, т.е. сегнетоэлектрик остается поляризованным в отсутствие внешнего электрического поля. Чтобы уменьшить Р0, надо приложить электрическое поле обратного направления - -Ес. Величина Ес – называется коэрцитивной силой (сила удерживания).

Если в электрическое поле внести, проводник и если даже он не заряжен, то этот проводник вызывает искажение поля: вблизи проводника оно становится неоднородным. Внутри проводника электростатическое поле будет отсутствовать, т.е. Е =0.

Это означает, что потенциал во всех точках внутри проводника постоянен

  const, т.е. поверхность проводника в электростатическом поле является эквипотенциальной. Следовательно, электрические заряды располагаются только по поверхности проводника, внутри проводника связанных зарядов нет. На этом свойстве проводников основана электростатическая защита: экранирование приборов от влияния внешних электростатических полей (густая металлическая сетка).

Если во внешнее

- + поле внести нейтраль-

- Е0= + ный проводник, то

- + связанные заряды

будут перемещаться.

На одном конце

будет скапливаться избыток положительного заряда, на другом – избыток отрицательного заряда. Эти заряды называются индуцированными. Процесс будет происходить до тех пор, пока напряженность внутри проводника не станет равным нулю. Индуцированные заряды распределяются на внешней поверхности проводника. Явление перераспределения проводника во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией. Так как поверхность проводника является эквипотенциальной, то заряженный проводник характеризуют потенциалом. По мере увеличения заряда проводника возрастает и его потенциал.

Отношение

с – электроемкость проводника, зависит только от его размера и формы - справедливо только для уединенного проводника.

[с] = [фарад] =

1 мФ = 10-3Ф; 1 мкФ = 10-6Ф; 1 нФ = 10-9Ф; 1 пФ = 10-12Ф.

Проводник, обладающий большой электроемкостью, имеет большие размеры (уединенный шар емкостью с = 1 мкФ имеет радиус R =9 км). Можно создать такую систему, состоящую из проводников, разделенных диэлектриками, которая будет обладать большой емкостью при малых размерах. Такого рода электрическая система называется конденсатором. Различают плоские, сферические, цилиндрические конденсаторы.

- емкость плоского конденсатора

- емкость цилиндрического конденсатора

- емкость сферического конденсатора

где r1, r2 – внутренний и внешний радиусы.

Конденсаторы могут включаться последовательно и параллельно к электрической цепи.

с1 с2

с1 с = с1+с2

с2

Конденсаторы обладают способностью накапливать электрический заряд, затем быстро разряжаться.

Электростатические силы взаимодействия консервативны (т.е. работа не зависит по какой траектории это перемещение произошло, а зависит только от конечного и начального положений). Следовательно, система зарядов обладает потенциальной энергией. Потенциальная энергия системы двух неподвижных точечных зарядов.

- энергия системы зарядов

Энергия заряженного проводника, равна той работе, которую необходимо совершить, чтобы зарядить этот проводник.

Как и всякий заряженный проводник, конденсатор обладает энергией

studfiles.net

Смотрите также