Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Діелектрик в зовнішньому силовому полі






Діелектриками називаються речовини, які нездатні проводити електричний струм через відсутність в них вільних електричних зарядів.

Полярні й неполярні діелектрики. Введемо поняття радіусів-векторів центрів ваги позитивних і негативних зарядів молекули (див. рис. 3.8).

24.

Зако́ н О́ ма — це твердження про пропорційність сили струму в провіднику прикладеній напрузі.

Закон Ома справедливий для металів і напівпровідників при не надто великих прикладених напругах. Якщо для елемента електричного кола справедливий закон Ома, то говорять, що цей елемент має лінійну вольт-амперну характеристику.

     
 
 
 

 

 


Коефіціє́ нт ко́ ри́ сної ді́ ї - відношення виконаної роботи до загальних енергетичних затрат на її виконання. Безрозмірна велична, яка вимірюється у відсотках. Є важливою характеристикою машин та двигунів.

При виконанні будь-якої корисної роботи, частина зусиль витрачається на подолання опору й втрачається, переходячи у тепло. Будь-яка машина, будь-який пристрій із рухомими деталями повинні долати тертя. Проходження електричного струму через провідник теж супроводжується нагріванням провідника, при цьому втрачається частина корисної енергії.

   
 
 
 

 


Пра́ вила Кірхго́ фа визначають метод розрахунку складних розгалужених електричних кіл. Методика розрахунку розроблена Густавом Кірхгофом.

 

 


23.

Пості́ йний струм — електричний струм, незмінний в часі.

Необхідно відзначити деяку некоректність терміну постійний струм: насправді для постійного струму незмінним є перш за все значення напруги (вимірюється у вольтах), а не значення струму (вимірюється в Амперах), хоча значення струму також може бути незмінним. Тому термін постійний струм слід розуміти як постійну напругу. Далі використовуватимемо термін саме в цьому значенні.

Використовування терміну постійний струм (так само, як і змінний струм) підкреслює «силовий» характер даного сигналу, тобто це електричний сигнал, що передає потужність, призначений для живлення електричних пристроїв. У інших значеннях використовують точніші терміни: напруга, сигнал тощо

Нерідко цим терміном називають також електричний струм, який з часом може і змінюється за величиною, але не змінюється за напрямом (наприклад, пульсуючий електричний струм). Останнє обумовлюється можливістю розкладу одержуваного сигналу в ряд Фур'є, у якого постійна складова буде не нульова.

Постійний струм широко використовується в техніці: переважна більшість електронних схем як живлення використовує постійний струм. Змінний струм використовується переважно для зручнішої передачі від генератора до споживача.

 


Фізична природа

Для протікання електричним колом струму необхідно, щоб у колі були елементи, які переміщують електричні заряди, збільшуючи їхню енергію. Сили, які виконують цю функцію називаються сторонніми силами. За своєю природою сторонні сили можуть бути різноманітні: хімічні, як у електричних батареях і акумуляторах, термоелектричні, як у термопара, чи зумовлені явищем електромагнітної індукції, як у генераторах електричного струму. Кожне джерело струму характеризується своєю електрорушійною силою й внутрішнім опором.

Електри́ чний о́ пір — властивість провідника створювати перешкоди проходженню електричного струму.

Позначається здебільшого латинською літерою R, одиниця опору в СІ - Ом.

Електричний опір використовується у випадках лінійної залежності електричного струму в провіднику від прикладеної напруги, й є коефіцієнтом пропорційності між падінням напруги U й силою струму I

U = IR.

 

 

 


 

 

 


 

 

22.

Энергия системы зарядов

Потенциальная энергия Wp неподвижной системы зарядов представляет собой работу, необходимую для создания этой системы из отдельных частей, т.е. энергию, запасенную в созданной системе. Это - скалярная величина, являющаяся свойством системы в целом.

Соберем систему из трех зарядов, последовательно перенося их из бесконечности в данные точки пространства, как показано на рис. 6.1. При переносе первого заряда в пространстве, где отсутствует электрическое поле, сила на заряд не действует, и работа не совершается. При переносе второго заряда работа составит (см. 1.9)

Поскольку r изменяется от бесконечности до r12, то dr в (6.1) отрицательно. Очевидно, что работа, произведенная над системой, будет положительной для одноименных зарядов, так как они отталкиваются.

Перенос третьего заряда будет осуществляться в поле двух зарядов. На основании принципа суперпозиции это поле есть сумма полей, создаваемых каждым из зарядов. Тогда работа, производимая внешними силами над третьим зарядом будет равна сумме двух работ, одна из которых необходима для переноса заряда q3, если имеется только один заряд q1, а другая требуется для переноса заряда q3 при наличии только одного заряда q2

 

Следовательно, потенциальная энергия системы из трех зарядов, равная полной работе, затраченной на образование указанного на рис.6.1 расположения зарядов, состави

Нетрудно видеть, что полученный результат не зависит от порядка переноса зарядов.

Как всегда в определении потенциальной энергии существует некоторый произвол. В данном случае нулевое значение потенциальной энергии соответствует ситуации, когда все три заряда находятся на беконечно больших расстояниях друг от друга.

Очевидно, что если система состоит из N зарядов, то в выражении (6.3) будет N слагаемых того же вида. Один из способов написания такой суммы по парам зарядов следующий

Знак двойной суммы в (6.4) обозначает: возьмите i=1 и суммируйте по k=2, 3, 4,..., N; затем возьмите i=2 и суммируйте по k=1, 3, 4,...N; и т.д. до i=N. Ясно, что при этом каждая пара войдет в сумму дважды, поэтому перед знаком суммы стоит множитель 1/2.

На основании (1.15) потенциальную энергию (6.4) системы зарядов можно представить следующим образом

где ji - потенциал, создаваемый всеми зарядами кроме qi, в той точке, где помещается заряд qi.

Обобщение полученного выражения (6.5) на случай непрерывного распределения заряда с объемной плотностью r производится аналогично переходу от (1.15) к (1.16):

Энергия заряженного проводника

Как известно, заряд сосредоточивается на поверхности проводника, причем поверхность проводника эквипотенциальна. Разбивая эту поверхность на маленькие участки, каждый из которых имеет заряд Dq, и учитывая, что потенциал в месте расположения каждого из зарядов одинаков, имеем

Так как емкость проводника C=q/j, то выражение (6.7) может быть также представлено, как

Энергия заряженного конденсатора

Пусть заряд +q находится на обкладке с потенциалом j1 а заряд -q на обкладке с потенциалом j2. Тогда на основании тех же рассуждений, которые привели к выражению (6.7), получим

где U - разность потенциалов на обкладках конденсатора. Аналогично переходу от (6.7) к (6.8) выражение для энергии конденсатора может быть представлено также в виде

 

 


Энергия электрического поля

Выражение для энергии в виде (6.6) можно истолковать так. Потенциальная энергия заряда rdV равна произведению этого заряда на потенциал в той же точке. Вся энергия поэтому получается интегрированием по всему заряду. Оказывается, однако, что энергию можно выразить также и через величину, характеризующую само электрическое поле, - через напряженность E.

Согласно уравнению Пуассона . Выразим отсюда r и подставим в (6.6)

 

----------------------------------------------------------- 21 --------------------------------------------------------

Провідники в електричному полі

Електричне поле.

Простір навколо електрично-заряджених частинок і тіл характеризується певними фізичними властивостями. Наприклад, на довільну заряджену частинку, внесену в цей простір, діє кулонівська сила, значення якої може змінюватись при переході від точки до точки.

У механіці при вивченні гравітаційної взаємодії тіл зазначалося, що взаємодія між тілами передається через поле тяжіння. Аналогічно у процесі вивчення взаємодії електричних зарядів виникали питання: як передається дія від одного до іншого заряду; чи відбуваються які-небудь зміни в навколишньому просторі за наявності тільки одного заряду? Для з'ясування цих питання розвивалися дві різні за своїм змістом концепції: далеко- і близькодії. Згідно із першою концепцією вважалося, що дія від одного заряду до іншого передається миттєво без участі будь-якого матеріального носія цієї взаємодії і що за наявності тільки одного заряду ніяких змін у навколишньому просторі не відбувається. Згідно із концепцією близькодії взаємодія між нерухомими зарядами передається через електричне поле, які оточує ці заряди, із скінченою швидкістю від одних точок поля до інших. Концепція далеко дії не відповідала дійсності і була відкинута після відкриття та дослідження електромагнітного поля. Отже, за сучасними поглядами матеріальним носієм взаємодії нерухомих зарядів є електричне поле. Електричне поле- це матеріальна складова електромагнітного поля, яке діє на заряд, зумовлене зарядами або змінним у часі магнітним полем. Основною ознакою наявності електричного поля є те, що на будь-який заряд, внесений у це поле, діє сила. При вивченні магнітної взаємодії струмів або постійних магнітів аналогічно прийдемо до поняття магнітного поля. Також буде показано, що електричне і магнітне поле є окремими проявами електромагнітного поля, яке характеризується енергією, масою, імпульсом, тобто всіма атрибутами матерії. Отже, електромагнітне поле є матеріальним, існує у просторі і часі, і через нього здійснюється електромагнітна взаємодія. Поле реальне так само, як і речовина, і є одним із видів матерії.

Розкриття властивостей фізичних полів- одне із найважливіших завдань фізики.

Ми поки що розглядатимемо стаціонарні електричні поля, тобто такі, що не змінюються з часом і створюються нерухомими електричними зарядами або постійними струмами. Такі поля, як зазначалося, називаються електростатичними. При вивченні електростатичних полів обидві концепції дають однакові результати. Проте вивчення явищ, пов'язаних з рухом електричних зарядів, виявило непридатність концепції далеко дії.

Розподіл зарядів на поверхні провідника

. До провідників належать речовини, які добре проводять електричний струм. Характерною особливістю провідників є наявність у них вільних носіїв зарядів: у металах- електронів, в електролітах-іонів. Якщо в провіднику створити електричне поле, то на кожний із носіїв заряду діє сила F=g E, що зумовлює напрямлений рух їх, тобто виникнення електричного струму.

Зарядимо тіло і розглянемо розподіл електричних зарядів на твердих металевих провідниках. На основі теореми Гаусса можна сказати, що всередині зарядженого однорідного провідника об'ємна густина заряду дорівнює нулеві.Справді, у стані рівноваги з умови відсутності напрямленого руху вільних зарядів у середині зарядженого однорідного провідника можна зробити висновок про відсутність там електричного поля (Е=0), а з рівності divЕ= К0 випливає також, що всередині провідника =0, тобто позитивні і негативні заряди взаємно компенсуються. З цього можна зробити висновок, що наданий провідникові надлишковий електричний заряд розміщується лише на зовнішній поверхні. Товщина поверхневого шару, в якому зосереджені електричні заряди є наскільки малою, що його можна вважати геометричною поверхнею і характеризувати розподіл зарядів на провідниках поверхневою густиною. Як уже зазначалося, поверхня зарядженого провідника є еквіпотенціальною, а силові лінії напруженості поля в кожній точці провідника напруженості по нормалі до його поверхні.

Про відсутність електричного поля і об'ємних зарядів усередині однорідних провідників можна судити також із дослідів. Якщо в середині провідника зробити порожнину, то рівноважний розподіл зарядів на його поверхні не змінюється, а його напруженість поля в середині порожнини і на його стінках дорівнюватиме нулеві. Досліди з вимірювання характеристик поля всередині зарядженої порожнистої провідної посудини вперше провів М. Фарадей за допомогою електроскопа. Ці вимірювання показали, що поля всередині порожнини немає. Отже, всередину замкненої провідної поверхні електростатичне поле не проникає і всередині однорідних провідників об'ємних зарядів немає. Цю особливість провідників використовують для електростатичного захисту чутливих приладів та пристроїв.

Крім того, М. Фарадей дослідно довів можливість повної передачі зарядів від одного провідного тіла до іншого. Для цього в одному із тіл роблять внутрішню порожнину і туди поміщають заряджене тіло. Від зарядженого тіла заряд повністю переходить до тіла з порожниною і розподіляється на його зовнішній поверхні. На внутрішніх поверхнях порожнини провідників =0. Цей процес можна повторити багато разів і, таким чином, надати провідному тілу з порожниною теоретично будь-якого заряду. Практично значення заряду обмежується лише його стіканням у навколишній простір внаслідок іонізації повітря.

Цей спосіб накопичення зарядів одного знака лежить в основі дії електростатичного генератора-пристрою, який призначений для одержання високої постійної напруги завдяки механічному переносу електричних зарядів.

Розрізняють електростатичні генератори з діелектричним транспортером зарядів із провідним транспортером у вигляді металевих стрижнів або циліндрів, розділених ізоляторами. Діелектричні транспортери виготовляють або у вигляді циліндрів чи дисків(роторні), або у вигляді гнучкої стрічки(генератори Ван де Граафа).

У 1931р. американський фізик Р. Ван де Грааф (1901-1967) виготовив електростатичний генератор (рис.1). Він складався з високовольтного електрода у вигляді пустотілої кулі діаметром кілька метрів, який закріплювався на ізольованих колонах 3, і діелектричної рухомої стрічки (транспортера) 4. Стрічка заряджається від щіток 5 і, рухаючись внаслідок обертання шківа 6, переносить заряд у середину пустотілої кулі 1, де й передає його крізь щітки 2.

З протилежного боку стрічки навпроти щіток 5 поміщають металеву заземлену пластинку для підсилення стікання зарядів із щіток 5 на стрічку 4.

Сила електричного струму, який переноситься транспортером, обчислюється за формулою:

де - поверхнева густина зарядів; - ширина транспортера; - його швидкість. Якщо біля високовольтного електрода 1 на транспортер наносяться заряди протилежного знака, то сила струму збільшується у 2 рази.

Перші зразки генераторів Ван де Графа мали відкриту конструкцію і давали змогу одержувати потенціали до 1МВ. За допомогою сучасних удосконалених генераторів одержують напругу до 20МВ, а ККД електростатичних генераторів становить 15-20%. Електростатичні генератори використовують у прискорювачах заряджених частинок і в слабкострумовій високовольтній техніці.

Поверхня зарядженого провідника при рівновазі є еквіпотенціальною, однак поверхнева густина заряду залежить від кривизни. Досліди, наприклад із сіткою

Кольбе, показують, що поверхнева густина заряду є більшою там, де більша кривизна поверхні. Доведемо це на прикладі двох заряджених куль радіусами R1 і R2, з'єднаних між собою тонким провідником. Після встановлення рівноваги заряди на кулях розподіляються так, що їхні потенціали будуть однаковими, тобто.Оскільки

Отже, поверхнева густина зарядів на кулях обернено пропорційна їхнім радіусам кривизни, тобто де кривизна поверхні зарядженого тіла є більшою, там і густина заряду більша. Оскільки біля поверхні зарядженого провідника, то в місцях з великою кривизною (вістря) і відповідно набувають дуже великих значень. Це сприяє стіканню електричних зарядів із металевих вістер. Стікання зарядів з вістер використовують для побудови блискавковідводів. У високовольтних лініях електропередач стікання зарядів із загострених частин проводів призводять до значних втрат енергії.

Провідники в електричному полі

У нейтральних провідниках завжди є однакова кількість позитивних і негативних зарядів. У провідниках першого ряду (металах) наявні вільні електрони, які перебувають у безперервному хаотичному русі в межах провідника. При внесенні такого провідника в зовнішнє електричне поле (наприклад, однорідне з напруженістю) на позитивні і негативні заряди діятиме сила: позитивні заряди ця сила зміщуватиме в напрямі, а негативні - у протилежному напрямі. Оскільки позитивні заряди в металах – це іони, закріплені у вузлах кристалічної градки, то вони можуть переміщатись лише на мікроскопічні відстані. Вільні електрони, навпаки, переміщатимуться проти напряму на макроскопічній відстані. Внаслідок цього в металі відбудеться перерозподіл електричних зарядів: ближня грань у напрямі поля зарядиться негативно, а дальня збіднюється електронами і зарядиться позитивно. Явище перерозподілу електричних зарядів у провіднику під дією зовнішнього електричного поля і виникнення внаслідок цього електризації провідника називають електростатичною індукцією або електризацією через вплив. Індуковані на протилежних у напрямі поля гранях провідника різнойменні заряди створюють у середині нього внутрішнє електричне поле, вектор напруженості якого напрямлений протилежно до напряму вектора зовнішнього поля. Переміщення вільних електронів у металі під дією продовжуватиметься доти, доки не настане взаємна компенсація зовнішнього і наведеного полів, тобто стануть рівними за абсолютним значенням.Густина індукованих зарядів на поверхні провідника прямо пропорційно залежить від напруженості зовнішнього електричного поля.

Явище електростатичної індукції можна використати для того, щоб зарядити тіла зарядами протилежного знака. Для цього два провідних тіла А і В з'єднують між собою тонким провідником і систему розміщують вздовж зовнішнього поля. На ближньому в напрямі поля тіла виникає негативний заряд, на дальньому - позитивний. Якщо роз'єднати тіла, а потім зняти зовнішнє електричне поле, то дальнє тіло залишиться зарядженим позитивно (на цьому виявиться нестача електронів), а ближнє буде зарядженим негативно (надлишок електронів).

Конденсá тор (рос. конденсатор, англ. capacitor; нім. Kondensator m) — система з двох чи більше електродів (обкладок), які розділені діелектриком, товщина якого менша у порівнянні з розміром обкладок. Така система має взаємну ємність і здатна зберігати електричний заряд.

Є́ мність — здатність тіла накопичувати електричний заряд.

Ємність визначається, як відношення заряду тіла Q до його потенціалу V.

Здебільшого ємність позначається латинською літерою C. Одиницею вимірювання ємності в системі СІ є Фарад, в СГС — сантиметр.

 






© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.