Диэлектрики и проводники.

Проводники — вещества, имеющие свободные заряды — заряженные частицы, свободно перемещающиеся по образцу.

Диэлектрики — вещества, в которых заряженные частицы связаны в пределах молекул и могут перемещаться под действием внешнего поля только на расстояния не более межмолекулярных.



Любой диэлектрик можно превратить в проводник, т. е. пробить.

В качестве примера приведем значения пробивной напряженности в кв/см для некоторых диэлектриков:

воздух — 30, масло минеральное (трансформаторное) — 50—150, электрокартон — 100, фарфор — 80-150, слюда — 800-2000.

Проводники и диэлектрики — физические вещества, имеющие различную степень электропроводимости и по-разному реагирующие на воздействие электрического поля.

В проводнике свободные электроны, подвергающиеся влиянию сил электрического поля, перемещаются по всему объему.

В отличие от проводника, в диэлектрике (изоляторе) нет свободных зарядов. Изоляторы состоят из нейтральных молекул или атомов. Заряды в нейтральном атоме друг с другом сильно связаны и не могут перемещаться под воздействием электрического поля по всему объёму диэлектрика.

Свойства, характеризующие проводник:

• 
  электрические — сопротивление и электропроводимость;
  
• 
  химические — взаимодействие с окружающей средой, антикоррозийность, способность соединения при помощи сварки или пайки;
  
• 
  физические — плотность, температура плавления.
  

Особенность диэлектриков — противостоять воздействию электротока. Физические свойства электроизоляционных материалов:

• 
  диэлектрическая проницаемость — способность изоляторов поляризоваться в электрическом поле;
  
• 
  удельное объёмное сопротивление;
  
• 
  электрическая прочность;
  
• 
  тангенс угла диэлектрических потерь.
  

Особенности электростатического поля в диэлектриках.

В диэлектрике все электроны связаны с ядрами атомов. Электростатическое поле не отрывает их от атомов, а лишь слегка смещает относительно положительно заряженных ядер. Диэлектрик содержит только связанные заряды, т. е. заряды, входящие в состав атомов (молекул) диэлектрика и лишённые возможности свободно перемещаться под действием электростатического поля.

---

Поляризация диэлектрика. Каков же механизм перераспределения зарядов в диэлектрике? Действие электростатического поля напряжённостью , в которое помещён диэлектрик, сводится к смещению электронов в объёме каждого атома диэлектрика. В результате центр масс электрического заряда электронной оболочки атома смещается относительно центра масс положительного заряда ядра атома. В целом нейтральный атом (молекула) превращается в электрический диполь (ди — два, поль — полюс) (рис. 118.8). Рассмотренное явление получило название электронной поляризации. Механизм электронной поляризации универсален, поскольку проявляется в атомах, молекулах или ионах любого диэлектрика.



Электрическое поле внутри диэлектрика. Поляризационные заряды (см. рис. 118.9, б, г) создают собственное электростатическое поле, напряжённость   которого направлена навстречу напряжённости   внешнего поля и ослабляет его, но не компенсирует полностью.



Согласно принципу суперпозиции модуль напряжённости E результирующего электростатического поля внутри диэлектрика  . Таким образом, диэлектрик — одна из моделей, используемых в электростатике, описывающая такое вещество, что внутри тел, состоящих из этого вещества, напряжённость электростатического поля может быть отлична от нуля.

Вы уже знаете, что характеристикой электрических свойств диэлектриков является диэлектрическая проницаемость вещества. С учётом формул (17.2) и (19.3) можно утверждать, что:

(22.1.1)

Из выражения (22.1.1) следует, что диэлектрическая проницаемость вещества показывает, во сколько раз модуль напряжённости   электрического поля внутри однородного диэлектрика меньше модуля напряжённости   поля в вакууме.

Различные диэлектрики поляризуются внешним полем по-разному и имеют разную диэлектрическую проницаемость.

---

Поле внутри проводника и у его поверхности.

В статическом случае напряженность электрического поля внутри проводника равна нулю.

Если внутри проводника Е=0, то внутри проводника должны выполняться условия ϕ=const и ρ=0 (ρ − объемная плотность заряда).

Таким образом, свободные заряды в проводнике могут быть распределены только на его поверхности.

Напряженность электрического поля вблизи поверхности проводника направлена перпендикулярно его поверхности.

Поэтому равновесие в проводнике может наблюдаться лишь при выполнении следующих условий:

1. Напряженность поля всюду внутри проводника должна быть равна нулю: Е = 0. Следовательно, потенциал внутри проводника должен быть постоянным: = const.

2. Напряженность поля на поверхности проводника должна быть в каждой точке направлена по нормали к поверхности, так как касательная составляющая вектора Е вызвала бы перемещение носителей тока по поверхности, что противоречит условию равновесия зарядов в проводнике: . Следовательно, поверхность проводника является эквипотенциальной поверхностью.

Согласно теореме Гаусса алгебраическая сумма зарядов внутри поверхности проводника будет равна нулю. Следовательно, при равновесии, ни в каком месте внутри проводника не может быть избыточных зарядов - все они расположатся на поверхности проводника.

При внесении незаряженного проводника в электрическое поле носители заряда приходят в движение: положительные в направлении вектора отрицательные - в противоположную сторону. В результате у концов проводника возникают заряды противоположного знака (индуцированные заряды), которые создают поле, противоположное внешнему полю. Таким образом, накопление зарядов у концов проводника приводит к ослаблению в нем поля. Перераспределение носителей заряда происходит до тех пор, пока напряженность поля внутри проводника не станет равной нулю, а линии напряженности вне проводника - перпендикулярными к его поверхности.

Конденсаторы.

Конденсатор — система двух проводников, расположенных друг относительно друга так

---

, что, если этим проводникам сообщить одинаковые по модулю, но разные по знаку заряды, электрическое поле будет в основном сосредоточено между этими проводниками — обкладками конденсатора. Модуль заряда каждой из обкладок — заряд конденсатора. Конденсатор — это устройство, предназначенное для накопления заряда и энергии электрического поля.

Ёмкость конденсатора — характеристика конденсатора, равная отношению заряда конденсатора к модулю разности потенциалов между его обкладками (напряжению на обкладках):



Ёмкость конденсатора зависит от формы и размеров обкладок, их взаимного расположения, диэлектрических свойств среды между обкладками и не зависит от заряда, напряжения и т. п.



Электроемкость конденсатора.

Свойство конденсатора, накапливать электрический заряд, характеризуется физической величиной — электроёмкостью. Напряжение, которое возникает между двумя по-разному заряженными телами, зависит от многих параметров – в первую очередь, от геометрических размеров тел, их электрических свойств, а также от свойств окружающей среды. Однако, пропорциональность этого напряжения заряду всегда сохраняется.

Электроёмкость обозначается буквой C и определяется по формуле:

,

где q — заряд конденсатора, U — напряжение между обкладками конденсатора.

За единицу электроёмкости в СИ принимается Фарад (Ф) — электроемкость такого конденсатора, напряжение между обкладками которого равно 1 вольту при сообщении обкладкам разноименных зарядов по 1 кулону.

Емкость плоского, цилиндрического и сферического конденсатора.

Плоский конденсатор – это две противоположно заряженные пластины, которые разделены тонким слоем диэлектрика, как показано на рисунке.

Формула для расчета электроемкости записывается как

, где S является площадью обкладки, d – расстоянием между ними, ε - диэлектрической проницаемостью вещества. Меньшее значение d способствует большему совпадению расчетной емкости конденсатора с реальной. 

---

При известной электроемкости конденсатора, заполненного N слоями диэлектрика, толщина слоя с номером i равняется  , вычисление диэлектрической проницаемости этого слоя   выполняется, исходя из формулы: 



Когда проводник имеет форму шара или сферы, тогда внешняя замкнутая оболочка является концентрической сферой, это означает, что конденсатор  сферический. 

Он состоит из двух концентрических проводящих сферических поверхностей с пространством между обкладками, заполненным диэлектриком, как показано на рисунке. Емкость рассчитывается по формуле:

, где   и  являются радиусами обкладок.
Цилиндрическим конденсатором называется система из двух электродов цилиндрической формы различного радиуса имеющих общую ось и вставленных один в другой.

Емкость цилиндрического конденсатора равняется:

, где l - высота цилиндров,   и   - радиусы обкладок.

Данный вид конденсатора имеет две соосные поверхности проводящих цилиндрических поверхности, как показано на рисунке.


Важной характеристикой конденсаторов считается пробивное напряжение - напряжение, при котором происходит электрический разряд через слой диэлектрика.

 находится от зависимости от толщины слоя и свойств диэлектрика, конфигурации конденсатора.

Последовательное и параллельное соединения конденсаторов.

---

Смотрите также файлы

• 2 Способы анализа и разрешения конфликтов.docx

• Также в России существует ряд особенностей, которые могут оказывать влияние на развитие инновационного предпринимательства.docx

• A. Вы не любите собственного ребенка, вы безответственно относитесь к его воспитанию.pdf

• Иванов Иван Иванович Содержание Содержание 2 Введение 2 Нарушение зрения 4 Способы улучшения зрения 5 Использованная литература.docx

• Практикум.docx