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 Е_в, направленное противо­положно внешнему. Под действием поля смещается только часть электронов проводника, необходимая для созда­ния Е_в, 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 Е_пр или электрической прочностью диэлектрика, а напря­жение при пробое — пробивным напряжени­ем U_пр..

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=U_с

(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 W_э, которая может быть определена как площадь прямоугольного треугольника:

W_э = 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 С_1, 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 W_э.б , в соответствии с законом сохранения энергии,

W_э.б=W_э1+W_э2+W_э3(1.10)

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

С_б = 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

q_б = 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/C_б = q/C₁ + q/C₂, т. е.

l/C_б =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)

С_б = С/п.

ТЕМА 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ОСТОЯННОГО ТОКА