Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Основные свойства и характеристики

Электрического поля.

Электрическое поле обнаруживается в пространстве, окружающем заряженные частицы и тела, с которыми это поле связано.

Главным свойством электрического поля является силовое действие на электрически заряженную частицу, причем сила воздействия пропорциональна заряду частицы и не зависит от её скорости.

Электрическое поле неподвижных зарядов называется электростатическим.

ü Закон Кулона.

В результате опытов французский физик Кулон в 178г. установил закон взаимодействия двух наэлектризованных тел.

Сила взаимодействия двух точечных заряженных тел прямо пропорциональна произведению зарядов этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

. (1)

=8,85∙10 Ф/м – электрическая постоянная.

Электрическое поле создается заряженными частицами и телами и вместе с тем действует на заряженные частицы и тела с некоторой силой. Каждое из двух взаимодействующих тел создает свое поле, а в окружающем их пространстве одно поле накладывается на другое и образует общее электрическое поле.

ü ٭ Напряженность электрического поля.

Важные для практики свойства и характеристики электрического поля зависят от формы заряженного тела, величины, знака и распределения его заряда, от взаимного расположения заряженных тел, от свойств среды, окружающей заряженные тела, и других факторов. Поэтому электрические поля, созданные при различных условиях, отличаются одно от другого по форме, а также по количественным и качественным показателям.

Для того, чтобы сопоставлять электрические поля, оценивать возможности их использования и вести соответствующие расчеты, установлены и применяются силовые и энергетические характеристики электрического поля.

٭Силовой характеристикой электрического поля является напряженность электрического поля.

Напряженность электрического поля – векторная величина, численно равная отношению силы, действующей на положительно заряженную частицу, к её заряду:

Е = (2)

где Е – напряженность электрического поля, В/м (Вольт/метр).

Подставив в это выражение Кулоновскую силу, получим выражение напряженности электрического поля точечного заряженного тела в любой точке, отстоящей от него на расстоянии r:

Е = . (3)

Для наглядного изображения электрического поля проводят линии напряженности (силовые линии). В каждой точке такой линии направление вектора напряженности электрического поля совпадает с касательной этой линии.

Электрическое поле называют однородным (или равномерным), если во всех его точках напряженность поля одинакова по величине и направлению.

Равномерное поле имеется между двумя параллельными заряженными пластинами, линейные размеры которых значительно больше расстояния между ними, а у краев пластин поле неравномерно.

ü ٭ Электрическое напряжение.

Свободная частица с положительным зарядом Q в электрическом поле будет перемещаться в направлении действующей на нее электрической силы F. При перемещении частицы на расстояние l между точками 1 и 2 совершается работа А =Fl, которую можно выразить через напряженность: А =EQl. Работа зависит не только от величин, относящихся к полю (E,l), но и от заряда частицы:

U = А /Q, (4)

U – электрическое напряжение, В (вольт); А - работа, Дж (джоуль).

Отношение работы сил электрического поля по перемещению заряженной частицы между двумя точками к величине заряда частицы называется электрическим напряжением между этими точками. Или разностью потенциалов ∆φ.

В равенство (4) подставим выражение работы, получим формулу, в которой ٭энергетическая характеристика электрического поля (U) связана с силовой характеристикой (Е):

U = El. (5)

Для расчета применяется также энергетическая характеристика электрического поля в каждой точке – электрический потенциал (φ).

Отношение потенциальной энергии заряженной частицы, находящейся в некоторой точке электрического поля, к величине ее заряда выражает потенциал поля в этой точке: φ =А /Q; φ =А /Q.

Потенциальная энергия заряженной частицы в электрическом поле уменьшается при переходе от точки к точке по направлению линий напряженности. Она становится равной нулю за пределами электрического поля, где сила F=0.

Проводники и диэлектрики в электрическом поле.

Напряженность и потенциал электрического поля в вакууме зависят от величины и характера распределения электрического заряда, формы тела, несущего заряд. Характеристики электрического поля в пространстве, заполненным веществом, зависят и от свойств вещества, так как электрическое поле воздействует на вещество, а оно в свою очередь, определенным образом изменяет электрическое поле.

ü Проводники в электрическом поле.

Под действием внешнего электрического поля с напряженностью Е в металлическом теле свободные электроны перемещаются к одной поверхности, которая получает отрицательный заряд. Противоположная поверхность заряжается положительно (явление электростатической индукции).

В результате разделения зарядов в проводнике создается внутреннее электрическое поле с напряженностью Е , направленное противоположно внешнему. Движение свободных электронов в проводнике кратковременно. Пока напряженности внешнего и внутреннего полей не уравняется.

При равенстве Е = Е результирующая напряженность поля равна нулю. Напряжение между двумя любыми точками проводника также равно нулю. Т.е. его потенциал во всех точках один и тот же. =>, при наличии в проводнике свободных носителей заряда электростатическое поле в нем существовать не может.

Если в электрическое поле поместить проводник с полостью внутри, то в этом случае заряженные частицы будут только на его поверхности, а внутри металла и полости электрическое поле отсутствует.

ü Электрическое поле в однородном диэлектрике.

По сравнению с проводниками количество свободных заряженных частиц в единице объема диэлектрика очень мало. Поэтому при наличии внешнего электрического поля направленным движением свободных заряженных частиц можно пренебречь и считать, что в диэлектрике преобладают явления электростатические.

Различают диэлектрики с полярными и неполярными молекулами. Полярные молекулы в электрическом отношении можно рассматривать как электрический диполь.

- электрический диполь – это совокупность двух частиц с электрическими зарядами, равными по величине и противоположными по знаку.

Во внешнем электрическом поле диполь испытывает действие пары сил, которая поворачивает её так, что электрический момент оказывается направленным также. Как и напряженность поля.

В неполярных молекулах диэлектрика под действием внешнего электрического поля заряженные частицы смещаются вдоль направления вектора напряженности. В результате чего молекулы приобретают свойство диполей.

Это явление ограниченного смещения заряженных частиц в молекуле или изменения ориентации дипольных молекул в диэлектрике под действием электрического напряжения называется поляризацией диэлектрика.

Величина характеризующая свойства диэлектрика называется абсолютной диэлектрической проницаемостью.

ü Основные электрические свойства диэлектриков.

Любое, даже самое простое электрическое устройство нельзя построить без диэлектрических материалов. Большинство их применяют для изоляции.

Между электропроводными участками. С разными электрическими потенциалами. Имеется электрическое поле. Следовательно, диэлектрические материалы находятся под действием этого электрического поля или, как говорят, «несут электрическую нагрузку».

Напряженность электрического поля в диэлектрике зависит от напряжения между проводниками (электродами), расстояния между ними. Формы и размеров электродов. Величины диэлектрической проницаемости.

Электрическую нагрузку изоляции оценивают величиной напряженности электрического поля в ней. Если напряженность электрического поля превысит некоторую критическую величину. То диэлектрик теряет электроизоляционные свойства. Это явление называют пробоем диэлектрика, а величину напряжения, при котором оно происходит, - пробивным напряжением.

Величина напряженности электрического поля, соответствующая пробивному напряжению называется электрической прочностью диэлектрика.

Пробой электрической изоляции обусловлен многими факторами и в зависимости от того, какие из них преобладают, различают электрический. электротепловой, электрохимический пробои.

ü Диэлектрические материалы.

1. Газообразные.

2. Жидкие.

3. Твердые.

3. Электрическая ёмкость. Плоский конденсатор.

Потенциал металлического уединенного тела с увеличением сообщенного ему заряда возрастает. При этом заряд Q и потенциал φ связаны между собой соотношением

Q = Сφ (1)

Откуда С = Q/φ (2)

Здесь С – коэффициент пропорциональности, или электрическая ёмкость тела.

Таким образом, электрическая ёмкость С тела определяет заряд, который нужно сообщить телу, чтобы вызвать повышение его потенциала на 1 В.

Единицей емкости, является кулон на вольт или фарада: [C] = 1Кл/В = 1Ф.

В технике для получения емкостей используют конденсаторы – устройства, состоящие из двух металлических проводников, разделенных диэлектриком, и предназначенные для использования их емкости. ──║──

В частности, плоский конденсатор состоит из двух параллельных пластин, расстояние между которыми мало по сравнению с их размерами. При подключении к источнику постоянного напряжения происходит зарядка конденсатора, свободные электроны пластины, соединенной с положительным полюсом источника, переходят через источник на пластину. Соединенную с его отрицательным полюсом. Этот процесс закончится, когда разность потенциалов между пластинами окажется равной напряжению между зажимами источника. В результате одна пластина конденсатора получает заряд +Q, а другая –Q. При этом заряд Q и напряжение U между пластинами связаны соотношением Q = CU, откуда С = Q/U (3), здесь С – ёмкость конденсатора.

Таким образом, электрическая емкость С конденсатора определяет заряд, который нужно сообщить одной пластине, чтобы вызвать повышение напряжения между пластинами на 1 В.

Для нахождения заряда Q при заданном напряжении необходимо знать ёмкость конденсатора. В случае плоского конденсатора С = ε_rε_oS/d (4) где ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, разделяющего пластины конденсатора; ε_o – электрическая постоянная; S – площадь одной пластины (м²); d – расстояние между пластинами (м).

Промышленность выпускает конденсаторы различной емкости – от 10 пФ до нескольких тысяч микрофарад на различные номинальные напряжения (от единиц вольт до сотен киловольт), различного назначения и конструкции. По типу диэлектрика конденсаторы делятся на бумажные, слюдяные, керамические и др. конденсаторы находят широкое применение в электротехнике и радиотехнике.

ü Соединение конденсаторов.

На практике нужную емкость получают, прибегая к различным способам соединения стандартных конденсаторов.

· Параллельное соединение.

При параллельном соединении конденсатов потенциал пластин, соединенных с положительным полюсом источника, одинаков и равен потенциалу этого полюса. Соответственно потенциал пластин, соединенных с отрицательным полюсом, равен потенциалу этого полюса. => напряжение, приложенное к конденсаторам, одинаково. Общий заряд: Q_общ = Q₁+Q₂+Q₃. Так как, согласно (3): Q = CU, то Q_общ = С_общU; Q₁ = C₁U; Q₂ = C₂U; Q₃ = C₃U и С_общU = C₁U+C₂U+C₃U. Таким образом, общая, или эквивалентная, емкость при параллельном соединении конденсаторов равна сумме емкостей отдельных конденсаторов: С_общ = С₁₊С₂+С₃. (5). => При параллельном соединении одинаковых конденсаторов емкостью С общая емкость С_общ = nС. (6).

· Последовательное соединение.

При последовательном соединении конденсаторов на пластинах будут одинаковые заряды. На внешние электроды заряды поступают от источника питания. На внутренних электродах конденсаторов С₁ и С₃ удерживается такой же заряд, как и на внешних. Но поскольку заряды на внутренних электродах получены за счет разделения зарядов с помощью электростатической индукции, заряд конденсатора С₂ имеет такое же значение.

Найдем общую емкость для этого случая. Так как U = U₁+U₂+U₃, где U = Q/C_общ; U₁ = Q/C₁; U₂ = Q/C₂; U₃ = Q/C₃, то Q/C_общ = Q/C₁+Q/C₂+Q/C₃. сократив на Q, получим: 1/С_общ = 1/С₁+ 1/С₂+ 1/С₃. (7).

При последовательном соединении двух конденсаторов, используя (7), найдем: С_общ = С₁С₂/(С₁+С₂) (8).

При последовательном соединении n одинаковых конденсаторов емкостью С каждый на основании (7) общая ёмкость: С_общ = С/n. (9).

●─────|

────●─────

С₁╪ С₂╪ С₃ ╪ ●──║──║──║──●

────●───── С₁С₂ С₃

●─────|

ü Энергия электрического поля.

При зарядке конденсатора от источника питания энергия этого источника преобразуется в энергию электрического поля конденсатора: W_C = CU²/2 (10), или с учетом того, что Q=CU, W_C = QU/2 (11).

Физически накопление энергии в электрическом поле происходит за счет поляризации молекул или атомов диэлектрика.

При замыкании пластин конденсатора проводником происходит разрядка конденсатора и в результате энергия электрического поля преобразуется в теплоту, выделяемую при прохождении тока через проводник.