Диэлектрики в электрическом поле.

Гр.КСК-20з 11.12.21г

Дисциплина «Основы электротехники»

Введение

Курс «Основы электротехники» является общепрофессиональной дисциплиной. Для студентов заочного отделения он разбит на две части и изучается два семестра. Каждая часть завершается выполнением самостоятельной контрольной работы по изученным разделам и сдачей экзамена. Для успешного освоения теоретической части курса необходимо проработать материал лекций и электронного учебника по электротехнике любого автора для СПО (среднего профессионального образования).

лекция 1 (4часа)

Тематический план

Электрическое поле

1.1 Электрическое поле и его характеристики

1.2 Проводники и диэлектрики в электрическом поле.

1.3 Электроемкость. Конденсаторы. Соединение конденсаторов

Электротехника - это наука о процессах, связанных с практическим применением электрических и магнитных явлений.

Электромагнитные явления - это явления связанные с существованием заряженных частиц и их взаимодействием между собой.

Известно, что все тела построены из мельчайших частиц, которые неделимы на более простые и поэтому называются элементарными .Эти частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния так же, как и силы всемирного тяготения, но превышают силы тяготения во много раз, поэтому говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Сами частицы называются заряженными.

Заряд элементарных частиц - протонов называют положительным, а заряд электронов – отрицательным Взаимодействия между заряженными частицами носят название электромагнитных. Заряженные частицы взаимодействуют между собой, одноименные отталкиваются, а разноименные притягиваются. Электрическое взаимодействие возникает между частицами (телами) без контакта друг с другом. Посредником, с помощью которого электрические заряды (тела) взаимодействуют друг с другом, является особый вид материи, который называют электрическим полем.

Закон Кулона

Опытным путем французский физик Кулон установил, что сила взаимодействия F пропорциональна величине взаимодействующих зарядов q₁ и q₂ и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними (рис. 1).

Рис.1 Взаимодействие электрических зарядов: а - заряженных разноименно,

б - заряженных одноименно

Направление действия этой силы совпадает с направлением прямой, проходящей через оба заряда.

Позднейшие исследования показали, что сила взаимодействия между зарядами зависит также от электрических свойств среды, в которой находятся заряды.

Если размеры заряженных тел очень малы по сравнению с расстоянием r между ними, то говорят, что речь идет о точечных зарядах q₁ и q₂. Формулу Кулона в этом случае можно представить в следующем виде:

где F - сила взаимодействия между электрическими зарядами, Н;

К - коэффициент, зависящий от принятой системы единиц измерения; в СИ множитель К = ¹/_4π ε_а;

q - величина заряда, Кл;

ε_а - величина, характеризующая среду между зарядами, называется абсолютной диэлектрической проницаемостью среды.

Для пустоты абсолютная диэлектрическая проницаемость имеет минимальное значение и ее принято обозначать ε₀.

Обычно абсолютную диэлектрическую проницаемость среды ε_c сравнивают с абсолютной проницаемостью пустоты ε₀. Отношение ε_с к ε₀ обозначают буквой ε и называют относительной диэлектрической проницаемостью:

ε = ε_а / ε₀, ε_а = ε∙ε₀

Относительная диэлектрическая проницаемость является безразмерной величиной.

В СИ формула Кулона будет иметь вид

2 Характеристики электрического поля:

Основными величинами, характеризующими каждую точку электрического поля, являются потенциал и напряженность поля.

а) напряженность – силовая электрического поля

Электрический заряд создает в окружающем его пространстве электрическое поле. Отличительной особенностью электрического поля является его способность действовать на заряженные частицы, помещенные в поле. О наличии электрического поля и о его интенсивности можно судить по механической силе F, действующей на заряженную частицу q, находящуюся в этом поле. Так как движение свободной частицы происходит под действием этой силы, то направление электрического поля принято считать совпадающим с направлением силы F, действующей на положительно заряженную частицу.

Механическая сила, с которой поле действует на единичный положительный заряд, помещенный в данной точке, называется напряженностью электрического поля и обозначается буквой Е

Напряженность электрического поля – векторная величина. Направление вектора напряженности совпадает с направлением вектора силы F, действующей в данной точке на положительный заряд.

Е= F /q.

В Международной системе единиц (СИ) напряженность электрического поля измеряется в вольтах на метр: В/м.

Напряжённость электрического поля – это его силовая характеристика Суть этой характеристики в том, что поле действует на любой заряд внутри него с некоторой определённой силой, а, следовательно, эту силу можно измерить и определить интенсивность её воздействия.

Напряженность электрического поля как любая механическая сила характеризуется как численным значением, так и направлением в пространстве (рис. 2), т. е. является векторной величиной. Она изображается на чертеже отрезком, длина которого в определенном масштабе выражает числовое значение величины Е, а стрелка указывает ее направление.

Рис. 2. Напряженность электрического поля в точке А

Если в формуле Кулона один из зарядов принять равным единице, то мы получим силу, действующую на единицу заряда, т. е. напряженность электрического поля. Поэтому для напряженности электрического поля

Помещая электрический заряд в различные точки поля заряженного шара и отмечая траектории движения заряда под действием его электрических сил, мы получим ряд радиальных прямых, расходящихся от шара во все стороны. Эти воображаемые линии, по которым стремится двигаться положительный, лишенный инерции заряд, внесенный в электрическое поле, как было указано выше, называются электрическими силовыми линиями. Ясно, что в электрическом поле можно провести любое число силовых линий. С помощью силовых линий можно графически изобразить не только направление, но и величину напряженности электрического поля в данной точке

Рис.3

б) электрический потенциал- энергетическая характеристика поля.

Заряд, помещенный в электрическое поле начинает двигаться вдоль силовых линий поля, а, следовательно, он совершает определённую работу. Энергия сосредоточена в каждой точке электрического поля и может высвобождаться в такие моменты. Для этой характеристики электрического поля ввели специальное понятие – электрический потенциал. Он существует для каждой конкретной точки и его значение будет равно той работе, которую совершат силы при перемещении заряда из данной точки поля за его пределы.

Потенциал (φ) — это энергетическая характеристика поля численно равная отношению потенциальной энергии заряженной частицы помещенной в данной точке поля к величине её заряда.

φ = W/ q = А/ q [В]

Как уже было сказано ранее, каждая точка электрического поля обладает потенциалом, а между двумя разными точками образуется разница потенциалов, ее называют электрическим напряжением U.

Разность потенциалов ( φ 1 – φ 2 ) или напряжение численно равно работе А₁₂, которую производят электрические силы при перемещении единичного положительного заряда q между двумя точками поля

U = φ 1 – φ 2 = А₁₂ / q [В]

3 Проводники и диэлектрики

Главное свойство электрического поля заключается в том,что оно оказывает силовое действие на попадающие в него заряженные частицы
Под действием электрического поля все вещества, атомы которых содержат заряженные частицы, ведут себя по-разному.

Их делят на проводники, полупроводники и диэлектрики. В чем же заключается различие? Промежуточное положение между проводниками

Проводники – материалы, в которых связи между положительно заряженным ядром и наиболее удаленными от него электронами очень слабы. Эти электроны (их называют “свободными ”) под действием поля оставляют свои атомы и образуют поток частиц т.е. электрический ток. Это касается металлических проводников. Так как электроны имеют отрицательный заряд, то они движутся в сторону клеммы ( + ) источника поля. Но в электротехнике за положительное направление электрического тока было принято направление, противоположное этому. Т.е.ток направлен от клеммы (+) к клемме ( –) источника.

Основные понятия:

Электрическим током ( обозначается буквой I ) называется упорядоченное движение электрических зарядов под действием электрического поля. Сила тока измеряется в амперах и обозначается буквой А.

За направление электрического тока условно принято направление упорядоченного движения

положительных зарядов.

C ила тока/ Количественной характеристикой электрического тока является сила тока. Силой тока называют скалярную величину I, численно равную заряду , проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени:

I = q/t

где q - заряд, который переносится через поперечное сечение проводника за время t.

В системе СИ единицей силы тока является ампер (А). При токе в 1 А через полное сечение проводника за 1 с проходит заряд 1 Кл. Также используют и более мелкие единицы: 1 миллиампер (мА) =10^-3 А и 1 микроампер = 10^-6 А .

Плотность тока Для количественной характеристики электрического тока используют также плотность тока J, которая равна величине заряда, проходящего в единицувремени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению движения зарядов:

J=I/S

Плотность тока измеряется в амперах на квадратный метр (А/м²).

Движение электронов по проводнику тормозится вследствие столкновения их с атомами или ионами проводника, при воздействии внешних полей и другими причинами. Возникающее противодействие проводника направленному движению электронов называется сопротивлением. Сопротивление измеряется в Омах (Ом) и обозначается R.

Свойство проводника к образованию тока под действием электрического поля называют электрической проводимостью. Это величина обратная сопротивлению. Электрическая проводимость измеряется в cименсах (См) и обозначается G или g.

g = 1/ R

Связь между напряжением (U), сопротивлением (R) и током (I) в проводнике устанавливает закон Ома:

I = U/R

Согласно этому закону ток, протекающий по проводнику прямо пропорционален напряжению на концах проводника, и обратно пропорционален его сопротивлению.

Закон Ома,можновыразить и через проводимость:

I = U∙ g

Устройство, обладающее сопротивлением и используемое для ограничения тока в электрической цепи или в приемнике электроэнергии, называется резистором.

Резисторы бывают с постоянным и с переменным (регулируемым) сопротивлением.

Сопротивление проводника зависит от материала, из которого изготовлен проводник, его размеров и геометрической формы, а также от температуры.

Для однородного проводника постоянного сечения сопротивление определяется:

R = / S

где - удельное сопротивление, т.е. сопротивление проводника единичной длины с единичной площадью поперечного сечения, l- длина проводника,

S - площадь поперечного сечения/

. Сопротивление измеряется в омах (Ом). 1 Ом - это сопротивление проводника, по которому течет ток с силой 1 А при напряжении между его концами 1 В.

Закон Джоуля - Ленца При прохождении тока через проводник происходит выделение тепла.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током I на сопротивлении R, пропорционально произведению квадрата силы тока, на сопротивление и на время прохождения тока:

Q = I ^2∙ R ∙ t

Скорость преобразования электрической энергии источника в тепловую энергию в проводнике называют электрической мощностью.

Электрическая мощность обозначается латинской буквой Р и измеряется в Ваттах (Вт).

Мощность, выделяемая при прохождении тока:

P = U ∙ I = I ² ∙ R = U ² / R

Для резисторов, кроме значения номинального сопротивления, важной характеристикой является мощность рассеивания, превышение которой приводит к перегреву резистора.

Диэлектрики в электрическом поле.

У изолятора или диэлектрика электрически заряженные частицы в нейтральных атомах настолько связаны друг с другом, что электроны не могут, подобно «свободным» зарядам проводника, перемещаться под действием электрического поля по всему объёму тела. В молекулах диэлектрика происходит смещение связанных положительных и отрицательных зарядов в противоположные стороны

Различие в строении проводников и диэлектриков приводит к тому, что они по- разному ведут себя в электростатическом поле. Под действием внешнего электрического поля внутри диэлектрика возникает собственное электрическое поле.

Существующие диэлектрики можно разбить на два вида: полярные, состоящие из таких молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают; неполярные, состоящие из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают. Следовательно, молекулы у этих двух видов диэлектриков разные.

Поляризация полярных диэлектриков.

Полярный диэлектрик состоит из молекул, которые можно рассматривать как электрические диполи.

Электрическим диполем называют систему двух равных по модулю, но противоположных по знаку зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга.

Поместим диэлектрик в однородное электрическое поле. Со стороны этого поля на каждый электрический диполь будут действовать две силы, одинаковые по модулю, но противоположные по направлению. Они создадут момент сил, стремящийся повернуть диполь так, чтобы его ось была направлена по силовым линиям поля. При этом положительные заряды смещаются в направлении электрического поля, а отрицательные — в противоположную сторону. Смещение положительных и отрицательных связанных зарядов диэлектрика в противоположные стороны называют поляризацией.

Дата добавления: 2021-02-10; просмотров: 104; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!