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 Епр или 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
Дата добавления: 2016-09-06; просмотров: 5580;