Файл: Лабораторная работа 1 Исследование электрического поля плоского конденсатора Методические указания к лабораторной работе.doc

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Санкт-Петербургский горный университет»

Кафедра общей и технической физики

общая физика

Лабораторная работа № 1

Исследование электрического поля плоского конденсатора

Методические указания к лабораторной работе

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2023

Цель работы: Измерение напряженности электрического поля плоского конденсатора в зависимости от напряжения и расстояния между пластинами, определение электроемкости плоского конденсатора.

Теоретические основы лабораторной работы

Электростатические поля (ЭСП) представляют собой поля неподвижных электрических зарядов. Они достаточно широко используются в промышленности для электрогазоочистки, электростатической сепарации руд и материалов, электростатического нанесения лакокрасочных и полимерных материалов и т. д. Вместе с тем существует целый ряд производств и технологических процессов по изготовлению, обработке и транспортировке диэлектрических материалов, где отмечается нежелательное образование электростатических зарядов и полей, вызванных электризацией перерабатываемого продукта (текстильная, деревообрабатывающая, целлюлозно-бумажная, химическая промышленность и др.). В энергосистемах ЭСП образуются вблизи работающих электроустановок, распределительных устройств и ЛЭП постоянного тока высокого напряжения. При этом имеет место также повышенная ионизация воздуха (например, в результате коронных разрядов) и возникновение ионных токов.

Свойства электрических полей, их использование в конденсаторах, имеют большое практическое значение и поэтому важны для изучения. Конденсаторы являются неотъемлемой частью всех современных электронных устройств.

---

Основными физическими параметрами ЭСП являются напряженность поля и потенциалы его отдельных точек. Напряженность ЭСП — векторная величина; определяется отношением силы F, действующей на точечный заряд q, к величине этого заряда, измеряется в вольтах на метр (В/м).

(1.1)

Энергетические характеристики ЭСП определяются потенциалами точек поля. Потенциалом  электростатического поля называется скалярная величина, определяемая потенциальной энергией W единичного положительного заряда q, помещенного в эту точку:

(1.2)

Другими словами, потенциал есть отношение работы сил поля по перемещению заряда из данной точки поля на бесконечность, отнесенной к величине переносимого заряда.

Биологическое действие. ЭСП — фактор, обладающий сравнительно низкой биологической активностью. В 60-е гг. XX в. биологическое действие ЭСП связывали с электрическими разрядами, возникающими при контакте человека с заряженными или незаземленными предметами. Именно с ним связывали возможное развитие невротических реакций, в т. ч. фобий. В последующие годы ученые пришли к выводу, что ЭСП само по себе обладает биологической активностью. Выявляемые у работающих в условиях воздействия ЭСП нарушения носят, как правило, функциональный характер и укладываются в рамки астеноневротического синдрома и вегетососудистой дистонии. В симптоматике преобладают субъективные жалобы невротического характера (головная боль, нарушение сна, ощущение "удара током" и т. п.). Объективно обнаруживаются нерезко выраженные функциональные сдвиги, не имеющие каких-либо специфических проявлений. Кровь устойчива к воздействию ЭСП. Отмечается лишь некоторая тенденция к снижению показателей красной крови (эритроциты, гемоглобин), незначительному лимфоцитозу и моноцитозу. Биоэффекты сочетанных влияний на организм ЭСП и аэроионов свидетельствуют о синергизме в действии факторов. При этом превалирующим фактором выступает ионный ток, возникающий в результате движения аэроионов ЭСП.

Нормирование ЭСП. В соответствии с "Санитарно-гигиеническими нормами допустимой напряженности электростатического поля" № 1757-77 и ГОСТ 12.1.045—84 ССБТ "Электростатические поля. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля" предельно допустимая величина напряженности ЭСП на рабочих местах устанавливается в зависимости от времени воздействия в течение рабочего дня.

---

Предельно допустимая напряженность ЭСП на рабочих местах обслуживающего персонала не должна превышать следующих величин: при воздействии до 1 ч — 60 кВ/м.

Нормативный документ «Допустимые уровни напряженности электростатических полей и плотности ионного тока для персонала подстанций и ВЛ постоянного тока ультравысокого напряжения» № 6022—91 регламентирует условия сочетанного влияния указанных в названии факторов на персонал, обслуживающий электроустановки постоянного тока ультравысокого напряжения. В соответствии с требованиями документа ПДУ ЭСП и плотности ионного тока для полного рабочего дня составляют 15 кВ/м и 20 нА/м²; для 5-часового воздействия — 20 кВ/м и 25 нА/м² .

Профилактика. При выборе средств защиты от статического электричества (экранирование источника поля или рабочего места, применение нейтрализаторов статического электричества, ограничение времени работы и др.) должны учитываться особенности технологических процессов, физико-химические свойства обрабатываемого материала, микроклимат помещений и др., что определяет дифференцированный подход при разработке профилактических мероприятий. Одним из распространенных средств защиты от статического электричества является уменьшение генерации электростатических зарядов или их отвод с наэлектризованного материала, что достигается:

заземлением металлических и электропроводных элементов оборудования;

увеличением поверхностей и объемной проводимости диэлектриков;

установкой нейтрализаторов статического электричества.

Заземление проводится независимо от использования других методов защиты. Заземляются не только элементы оборудования, но и изолированные электропроводящие участки технологических установок. Более эффективным средством защиты является увеличение влажности воздуха до 65—75%, когда это возможно по условиям технологического процесса. В качестве средств индивидуальной защиты могут применяться антистатическая обувь, антистатический халат, заземляющие браслеты для защиты рук и др. средства, обеспечивающие электростатическое заземление тела человека.

Большое значение электростатические поля имеют в конденсаторах – устройствах для накопления зарядов.

Конденсатор состоит из двух проводников (обкладок), разделенных диэлектриком. Обкладкам придают такую форму, чтобы поле, создаваемое накапливаемыми зарядами, было сосредоточено в узком зазоре между обкладками в конденсаторе. Этому условию удовлетворяют: 1) две плоские параллельные пластины; 2) два коаксиальных цилиндра; 3) две концентрические сферы. Поэтому в зависимости от формы обкладок конденсаторы делятся на плоские, цилиндрические и сферические. Основной характеристикой конденсатора является его емкость – физическая величина, равная отношению заряда конденсатора

---

Q к разности потенциалов между его обкладками U.

, (1.3)

причем под зарядом конденсатора Q понимают заряд одной из его пластин.

Контроль уровней ЭСП в настоящее время затруднен. Рекомендованные приборы (ИНЭП-1, ИНЭП-20Д, ИНЭСП-1, ИЭЗ-П, ИНЭП-3) предназначены для измерения напряженности ЭСП на поверхности диэлектриков. Попытки оценивать с их помощью ЭСП в пространстве (на рабочих местах, перед экранами телевизоров, дисплеев и т. п.), ведут к большим погрешностям в результатах измерений. Из разработанных в последнее время приборов можно рекомендовать измеритель электростатического потенциала ИЭСП-01 и измеритель напряженности электростатического поля ПЗ-27. В настоящей лабораторной работе используется измеритель напряженности электрического поля (показан на рис. 1 позиция 3 и на рис. 2). Принцип его действия основан на явлении электростатической индукции: в электрическом поле на вращающихся лопастях измерителя индуцируются наведенные заряды. При вращении лопастей изменяется площадь их перекрытия с противоэлектродом, находящимся за лопастями. Противоэлектрод надежно изолирован от остальных частей измерителя, поэтому заряд конденсатора, который образуют подвижная лопасть и противоэлектрод, не меняется. Поэтому в соответствии с формулой (1.3) для связи между напряжением и емкости при изменении емкости за счет изменения площади перекрытия обкладок на конденсаторе возникает изменяющееся во времени переменное напряжение. По его величине и можно судить о напряженности измеряемого электрического поля.

Известно, что напряженность электрического поля и потенциал  связаны между собой соотношением

(1.4)

.

В однородном электрическом поле соотношение (1.4) может быть представлено

, (1.5)

где U – напряжение между точками поля, которые находятся на расстоянии x; E_x – проекция

---

на ось x.

Напряженность электрического поля между пластинами плоского конденсатора, находящимися на расстоянии d, можно определить по формуле:

, (1.6)

где U – напряжение, подводимое на пластины конденсатора.

Электроемкость плоского конденсатора рассчитывается по выражению:

, (1.7)

где ₀ – электрическая постоянная,  – относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами конденсатора (для воздуха  1).

Подставляя значение для d из формулы (1.6) в (1.7), получим выражение для емкости, которую можно рассчитать по измеренной напряженности:

(1.8)

где S – площадь одной из пластин конденсатора, q – заряд конденсатора.

Поскольку обкладки конденсатора имею противоположные знаки зарядов, они притягиваются друг к другу. Сила притяжения обкладок на единицу площади, т.е. так называемое пондеромоторное давление p, рассчитывается по формуле:

(1.9)

А сила притяжения – по формуле:

(1.10)

Учитывая малость значения ₀ , обычно электростатические силы оказываются невелики. Однако, при малых расстояниях между обкладками появляются большие электростатические поля и эти силы становятся значительными. На их использовании основана работа электростатических крепежных устройств и электроадгезионный способ соединения материалов.

Энергия поля конденсатора может быть рассчитана по формулам:

(1.11)

Описание установки

Установка (рис. 1, рис. 2) состоит из источника питания (1); измерителя напряжения (2); измерителя электрического поля (3); плоского конденсатора с раздвижными пластинами (4), установленными на профильной скамье (5); соединительных проводов. Измеритель напряженности электрического поля прикреплен к правой пластине конденсатора и соединен с мультиметром (6). Параллельно к пластинам присоединен мультиметр, измеряющий напряжение на пластинах, подаваемое от источника питания.

---