Проводник и диэлектрик в электрическом поле
Если незаряженный изолированный проводник внести в электрическое поле, то в результате действия электрических сил поля в проводнике происходит разделение электрических зарядов.
Свободные электроны проводника придут в движение в направлении, противоположном направлению электрического поля. В результате на конце проводника, обращенном к заряженному шару, окажется избыток электронов, обусловливающий отрицательный заряд этого конца, а на другом конце проводника окажется недостаток электронов, обусловливающий положительный заряд этой части проводника.
Разделение зарядов на проводнике под влиянием заряженного тела называется электризацией через влияние, или электростатической индукцией, а заряды на проводнике – индуцированными зарядами. По мере приближения проводника к заряженному шару количество индуцированных зарядов на проводнике увеличивается. Электрическое поле заряженного шара изменяется, как только в нем окажется проводник. Электрические силовые линии шара, расходившиеся ранее равномерно и радикально, теперь изогнутся в сторону проводника. Так как началами и концами электрических силовых линий являются электрические заряды, лежащие на поверхности проводников, то, начинаясь у поверхности с положительными зарядами, силовая линия кончается у поверхности с отрицательными зарядами. Внутри проводника электрическое поле существовать не может. В противном случае между отдельными точками проводника существовала бы разность потенциалов, в проводнике происходило бы движение зарядов (ток проводимости) и до тех пор, пока вследствие перераспределения зарядов потенциалы всех точек проводника не стали бы равными.
|
|
|
Этим пользуются, кода хотят оградить проводник от влияния внешних электрических полей. Для этого проводник окружают другим проводником, выполненным в виде сплошной металлической поверхности или проволочной сетки с мелкими отверстиями. Индуцированные заряды, образовавшиеся на проводнике в результате влияния на него заряженного поля, можно отделить один от другого, если разломить проводник пополам.
Диэлектрик отличается от проводника отсутствием свободных электронов. Электроны атомов диэлектрика прочно связаны с ядром атома.
Диэлектрик, внесенный в электрическое поле, так же как и проводник, электризуется через влияние. Однако между электризацией проводника и диэлектрика имеется существенная разность. Если в проводнике под влиянием сил электрического поля свободные электроны передвигаются по всему объему проводника, то в диэлектрике свободного перемещения электрических зарядов произойти не может. Но в пределах одной молекулы диэлектрика возникает смещение положительного заряда вдоль направления электрического поля и отрицательного заряда в обратном направлении. В результате влияния заряженного тела на поверхности диэлектрика возникнут электрические заряды. Это явление называется поляризациейдиэлектрика. Различают диэлектрики двух классов. 1. Молекула в нейтральном состоянии имеет положительный и отрицательный заряды, настолько близко расположенные один к другому, что действие их взаимно компенсируется. Под влиянием электрического поля положительные и отрицательные заряды в пределах молекулы несколько смещаются один относительно другого, образуя диполь. 2. Молекулы и в отсутствии электрического поля образуют диполи. Такие диэлектрики называют полярными.
|
|
|
Необходимость правильного выбора величины напряженности электрического поля в диэлектрике привела к созданию теории электрической прочности, имеющей важное значение для современной техники высоких напряжений.
Собственная электронная и дырочная электропроводимости
Полупроводники представляют собой вещества, которые по своей удельной электрической проводимости занимают среднее место между проводниками и диэлектриками.
|
|
|
Для полупроводниковхарактерен отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления. При возрастании температуры сопротивление полупроводников уменьшается, а не увеличивается, как у большинства твердых проводников. Кроме того, электрическое сопротивление полупроводников очень сильно зависит от количества примесей, а также от таких внешних воздействий, как свет, электрическое поле, ионизирующее излучение и др.
В полупроводниках существует электропроводность двух видов. Так же как и металлы, полупроводники обладают электронной электропроводностью, которая обусловлена перемещением электронов проводимости. При обычных рабочих температурах в полупроводниках всегда имеются электроны проводимости, которые очень слабо связаны с ядрами атомов и совершают беспорядочное тепловое движение между атомами кристаллической решетки. Эти электроны под действием разности потенциалов могут получить дополнительное движение в определенном направлении, которое и является электрическим током.
Полупроводники обладают также дырочной электропроводностью, которая не наблюдается в металлах. В полупроводниках кристаллическая решетка достаточно прочна. Ее ионы, т. е. атомы, лишенные одного электрона, не передвигаются, а остаются на своих местах.
|
|
|
Отсутствие электрона в атоме условно назвали дыркой.Этим подчеркивают, что в атоме не хватает одного электрона, т. е. образовалось свободное место. Дырки ведут себя как элементарные положительные заряды.
При дырочной электропроводности в действительности тоже перемещаются электроны, но более ограниченно, чем при электронной электропроводности. Электроны переходят из данных атомов только в соседние. Результатом этого является перемещение положительных зарядов – дырок – в направлении, противоположном движению электронов.
Электроны и дырки, которые могут перемещаться и поэтому создавать электропроводность, называют подвижными носителями зарядаили просто носителями заряда.Принято говорить, что под действием теплоты происходит генерация пар носителей заряда, т. е. возникают пары: электрон проводимости – дырка проводимости.
Вследствие того что электроны и дырки проводимости совершают хаотическое тепловое движение, обязательно происходит и процесс, обратный генерации пар носителей. Электроны проводимости снова занимают свободные места в валентной зоне, т. е. объединяются с дырками. Такое исчезновение пар носителей называется рекомбинацией носителей заряда.Процессы генерации и рекомбинации пар носителей всегда происходят одновременно.
Полупроводник без примесей называют собственным полупроводником. Он обладает собственной электропроводностью, которая складывается из электронной и дырочной электропроводности. При этом, несмотря на то что количество электронов и дырок проводимости в собственном полупроводнике одинаково, электронная электропроводность преобладает, что объясняется большей подвижностью электронов по сравнению с подвижностью дырок.
10. Соединение проводников между собой. Первый закон Кирхгофа
Отдельные проводники электрической цепи могут быть соединены между собой последовательно, параллельно и смешанно.
Последовательным соединениемпроводников называется такое соединение, когда конец первого проводника соединен с началом второго, конец второго проводника соединен с началом третьего и т. д. Общее сопротивление цепи, состоящее из нескольких последовательно соединенных проводников, равно сумме сопротивлений отдельных проводников:
R = R1 + R2+ R3+ . +R||.
Ток на отдельных участках последовательной цепи одинаков: I1 = I2= I3=I.
Падение напряжения пропорционально сопротивлению данного участка. Общее напряжение цепи равно сумме падений напряжения на отдельных участках цепи:
и = и1+ U2+ U3.
Параллельным соединениемпроводников называется такое сопротивление, когда начала всех проводников соединены в одну точку, а концы проводников – в другую точку. Начало цепи присоединяется к одному полюсу источника напряжения, а конец цепи – к другому полюсу.
При параллельном соединении проводников для прохождения тока имеется несколько путей. Ток, протекая к точке разветвления, растекается далее по трем сопротивлениям и равен сумме токов, уходящих от этой точки: I= I1+ I2+ I3.
Если токи, приходящие к точке разветвления, считать положительными, а уходящие – отрицательными, то для точки разветвления можно написать:
å Iк = 0 (k принимает значения от 1 до n), т. е. алгебраическая сумма токов для любой узловой точки цепи всегда равно нулю. Это соотношение, связывающее токи в любой точке разветвления цепи, называется первым законом Кирхгофа. Обычно при расчете электрических цепей направления токов в ветвях, присоединенных к какой-либо точке разветвления, неизвестны. Поэтому для возможности самой записи уравнения первого закона Кирхгофа нужно перед началом расчета цепи произвольно выбрать так называемые положительные направления токов во всех ее ветвях и обозначить их стрелками на схеме.
Пользуясь законом Ома, можно вывести формулу для подсчета общего сопротивления при параллельном соединении потребителей.
Общий ток, приходящий к точке, равен: I = U/R. Токи в каждой из ветвей имеют значения: I1 = U1 /R1; I2= U2 /R2; I3= U3 /R3.
По первому закону Кирхгофа I = I1+I2+I3 или U /R= U /R1+U /R2+U /R3.
Вынося U в правой части равенства за скобки, получим: U/R = U(1/R1 + 1 /R2+ 1/R3).
Сокращая обе части равенства на U, получим формулу подсчета общей проводимости: 1 /R=1/R1+1/r2+ 1/R3.
Таким образом, при параллельном соединении увеличивается не сопротивление, а проводимость.
При подсчете общего сопротивления разветвления оно получается всегда меньше, чем самое меньшее сопротивление, входящее в разветвление.
Если сопротивления, включенные параллельно, равны между собой, то общее сопротивление Rрав-но сопротивлению одной ветви R1, деленному на число ветвей п: R=R1/п.
Смешанным соединением проводников называется такое соединение, где имеются и последовательное, и параллельное соединения отдельных проводников.
Цепи переменного тока
Рассмотрим цепь, состоящую из сопротивления R. Влиянием индуктивности и емкости для простоты пренебрегаем. К зажимам цепи приложено синусоидальное напряжение u = Umsin(wt) По закону Ома мгновенное значение тока будет равно: i = u/r =(Um / r)sin (wt) = Im sin( wt).
Формула мощности для цепи переменного тока с активным сопротивлением такая же, как формула мощности для цепи постоянного тока: P=I2R.Активным сопротивлением обладают все проводники. В цепи переменного тока практически только одним активным сопротивлением обладают нити ламп накаливания, спирали электронагревательных приборов и реостатов, дуговые лампы и прямолинейные проводники большой длины.
Рассмотрим цепь переменного тока, содержащую катушку с индуктивностью L без стального сердечника. Для простоты будем считать, что активное сопротивление катушки очень мало и им можно пренебречь.
С наибольшей скоростью изменяется ток около своих нулевых значений. Около максимальных значений скорость изменения тока падает, а при максимальном значении тока прирост его равен нулю. Таким образом, переменный ток меняется не только по величине и направлению, но также и по скорости своего изменения. Переменный ток, проходя по виткам катушки, создает переменное магнитное поле. Магнитные линии этого поля, пересекая витки своей же катушки, индуктируют в них ЭДС самоиндукции. Так как индуктивность катушки в нашем случае остается неизменной, ЭДС самоиндукции будет зависеть только от скорости изменения тока. Наибольшая скорость изменения тока имеет место около нулевых значений тока. Следовательно, наибольшее значение ЭДС самоиндукции имеет в те же моменты.
В начальный момент времени ток резко и быстро увеличивается от нуля, а поэтому имеет отрицательное максимальное значение. Так как ток увеличивается, то ЭДС самоиндукции по правилу Ленца должна препятствовать изменению тока. Поэтому ЭДС самоиндукции при возрастании тока будет иметь направление, обратное току. Скорость изменения тока по мере приближения его к максимуму уменьшается. Поэтому ЭДС самоиндукции также уменьшается, пока, наконец, при максимуме тока, когда изменения его будут равны нулю, она не станет равной нулю.
Переменный ток, достигнув максимума, начинает убывать. По правилу Ленца ЭДС самоиндукции будет мешать току убывать и, направленная уже в сторону протекания тока, будет его поддерживать.
При дальнейшем изменении переменный ток быстро убывает до нуля. Резкое уменьшение тока в катушке повлечет за собой также быстрое уменьшение магнитного поля и в результате пересечения магнитными линиями витков катушки в них будет индуктироваться наибольшая ЭДС самоиндукции.
Так как ЭДС самоиндукции в цепях переменного тока непрерывно противодействует изменениям тока, то, чтобы дать возможность току протекать по виткам катушки, напряжение сети должно уравновешивать ЭДС самоиндукции. То есть напряжение сети в каждый момент времени должно быть равно и противоположно ЭДС самоиндукции.
Величина XL = WL называется индуктивным сопротивлением,которое представляет собой своеобразное препятствие, которое оказывает цепь изменениям тока в ней.
Величина XC = 1/(WC) называется емкостным сопротивлением,которое, как и индуктивное сопротивление, зависит, от частоты переменного тока.
Электромагнитная индукция
Явление ЭДС в контуре при пересечении его магнитным полем называется электромагнитной индукциейи было открыто английским физиком
М. Фа-радеемв 1831 г.
Проводник, по которому течет электрический ток, окружен магнитным полем. Если изменять величину или направление тока в проводнике или размыкать и замыкать электрическую цепь, питающую проводник током, то магнитное поле, окружающее проводник, будет изменяться. Изменяясь, магнитное поле проводника пересекает этот же самый проводник и наводит в нем ЭДС. Это явление называется самоиндукцией. Сама индуктированная ЭДС называется ЭДС самоиндукции.
Индуктированная ЭДС возникает в следующих случаях.
1. Когда движущийся проводник пересекает неподвижное магнитное поле или, наоборот, перемещающееся магнитное поле пересекает неподвижный проводник; или когда проводник и магнитное поле, двигаясь в пространстве, перемещаются относительно другого.
2. Когда переменное магнитное поле одного проводника, действуя на другой проводник, индуктирует в нем ЭДС.
3. Когда изменяющееся магнитное поле проводника индуктирует в нем самом ЭДС (самоиндукция).
Для определения индуктированной ЭДС в проводнике служит «правило правой руки»: если мысленно расположить правую руку в магнитном поле вдоль проводника так, чтобы магнитные линии, выходящие из северного полюса, входили в ладонь, а большой отогнутый палец совпадал с направлением движения проводника, то четыре вытянутых пальца будут показывать направление индуктированной эДс в проводнике.
Величина индуктированной ЭДС в проводнике за' висит:
1) от величины индукции магнитного поля, так как чем гуще расположены магнитные индукционные линии, тем большее число их пересечет проводник за единицу времени;
2) от скорости движения проводника в магнитном поле, так как при большой скорости движения проводник может пересечь больше индукционных линий в единицу времени;
3) от рабочей (находящейся в магнитном поле) длины проводника, так как длинный проводник может больше пересечь индукционных линий в единицу времени;
4) от величины синуса угла между направлением движения проводника и направлением магнитного поля.
В 1834 г. русский академик Э.Х. Ленцдал универсальное правило для определения направления индуктированной ЭДС в проводнике. Это правило, известное как правило Ленца, формулируется так: направление индуктированной ЭДС всегда одинаково, что вызванный ею ток и его магнитное поле имеют такое направление, что стремятся препятствовать причине, порождающей эту индуктированную ЭДС.
Токи, которые индуктируются в металлических телах при пересечении их магнитными линиями, называются вихревыми токами, или токами Фуко.
Для уменьшения потерь на вихревые токи якори генераторов, электрических двигателей и сердечники трансформаторов собирают из отдельных тонких (0,35-0,5 мм) штампованных листов мягкой стали, расположенных по направлению линий магнитного потока и изолированных один от другого лаком или тонкой бумагой. Это делается для того, чтобы вследствие малого поперечного сечения каждого стального листка уменьшить величину проходящего через него магнитного потока, а стало быть, уменьшить индуктируемые в нем ЭДС и ток.
Вихревые токи бывают полезны. Эти токи используют для закалки стальных изделий токами высокой частоты в работе индукционных электроизмерительных приборов, счетчиков и реле переменного тока.
Электронно-лучевые трубки
К электронно-лучевым приборам относятся электронно-лучевые трубки для осциллографии, приема телевизионных изображений и индикаторных устройств радиолокаторов, для передачи телевизионных изображений, запоминающие трубки для электронно-вычислительных машин, электронно-лучевые переключатели и другие приборы.
Во всех этих приборах создается тонкий пучок электронов (луч), управляемый с помощью электрического или магнитного поля или обоими полями.
Трубки могут быть с фокусировкой электронного луча электрическим или магнитным полем и с электрическим или магнитным отклонением луча. В зависимости от цвета изображения на люминесцирующем экране бывают трубки с зеленым, оранжевым или желто-оранжевым свечением – для визуального наблюдения, синим – для фотографирования осциллограмм, белым или трехцветным – для приема телевизионных изображений.
Электронно-лучевые трубки с электростатическим управлением, т. е. с фокусировкой и отклонением луча электрическим полем, называемые для краткости электростатическими трубками,особенно широко применяют в осциллографах.
Баллон трубки имеет цилиндрическую форму с расширением в виде конуса, а иногда в виде цилиндра. На внутреннюю поверхность основания расширенной части нанесен люминесцирующий экран – слой веществ, способных давать свечение под ударами электронов. Внутри трубки расположены электроды, имеющие выводы на штырьки цоколя.
Катод обычно бывает оксидный косвенного накала в виде цилиндра с подогревателем. Вывод катода иногда совмещен с одним выводом подогревателя. Оксидный слой нанесен на донышко катода. Вокруг катода располагается управляющий электрод, называемый модулятором, цилиндрической формы с отверстием в донышке. Этот катод служит для управления плотностью электронного потока и для предварительной фокусировки его.
На модулятор подается отрицательное напряжение. С увеличением этого напряжения все больше электронов возвращается на катод. При некотором отрицательном напряжении модулятора трубка запирается.
Следующие электроды, также цилиндрической формы, являются анодами. В простейшем случае их только два. На втором аноде напряжение бывает от 500 В до нескольких киловольт, а на первом аноде напряжение в несколько раз меньше. Внутри анодов обычно имеются перегородки с отверстиями (диафрагмы).
Под действием ускоряющего поля анодов электроны приобретают значительную скорость. Окончательная фокусировка электронного потока осуществляются с помощью неоднородного электрического поля в пространстве между анодами, а также благодаря диафрагмам. Более сложные фокусирующие системы состоят из большего числа цилиндров.
Система, состоящая из катода, модулятора и анодов, называется электронным прожектором (электронной пушкой) и служит для создания электронного луча, т. е. тонкого потока электронов, летящих с большой скоростью от второго анода к люминесцирующе-муэкрану.
Отклонение электронного луча и светящегося пятна на экране пропорционально напряжению на отклоняющихся пластинах. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называетсячувствительностью трубки.
Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 663; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!