Kuhni-nn.ru

Кухни НН
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Электропроводимость бетона

Электропроводимость бетона

Бетон и создаваемый на его основе железобетон на базе фибры или арматуры — основной конструкционный материал, который применяется как в массовом строительстве, так и для решения специфических задач. В последнем случае используются смеси с особыми свойствами как в незатвердевшем состоянии, так и в проектном возрасте. Одной из сфер, которая интересна с точки зрения эксплуатационных возможностей, считается регулирование электрических характеристик бетона.

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Проводники и диэлектрики в электростатическом поле»

Из курса физики средней школы вы знаете, что в металлах свободными носителями зарядов являются электроны. Это происходит потому, что электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов, утрачивают связи со своими атомами и могут относительно свободно передвигаться по всему объёму металла.

Давайте посмотрим, что произойдёт, если поместить металлический проводник в однородное электрическое поле, которое создаётся двумя разноимённо заряженными пластинами. Мы уже с вами знаем, что вектор напряжённость этого поля направлен от положительно заряженной пластины к отрицательно заряженной. Под действием кулоновских сил свободные электроны наряду с непрекращающимся тепловым движением начнут упорядоченное движение в сторону положительно заряженной пластины (то есть возникнет электрический ток), создавая там избыточный отрицательный заряд. В то же время недостаток электронов на правой стороне проводника приведёт к возникновению на ней избыточного положительного заряда.

Явление, при котором на поверхности проводника, помещённого в электростатическое поле, появляются электрические заряды, называют электростатической индукцией или электризацией через влияние.

А электрические заряды, возникающие в результате электростатической индукции, называют индуцированными.

Конечно же перераспределившиеся заряды создадут собственное электрическое поле, линии напряжённости которого будут направлены в сторону, противоположную линиям напряжённости внешнего поля (то есть будут его компенсировать). За ничтожно малый промежуток времени (порядка 10 –13 секунды) заряды в проводнике перераспределяются так, что напряжённость результирующего поля внутри пластины становиться равной нулю, и электрический ток прекращается. Следовательно, электростатическое поле в проводнике существовать не может.

Теперь давайте выясним, как распределяются заряды в наэлектризованном проводнике. Для этого проведём такой опыт. Возьмём полый металлический шар и заряди́м его. Теперь маленьким шариком на изолирующей ручке будем касаться различных точек внешней поверхности заряженного металлического шара, а затем электрометра. По углу отклонения стрелки электрометра, можно убедиться, что на внешней поверхности полого шара заряд распределяется равномерно.

Если же коснуться шариком внутренней поверхности заряженного шара, а затем электрометра, то стрелка последнего никак себя не проявит. Это говорит нам о том, что на внутренней поверхности шара избыточного заряда нет. То есть действительно, заряды, сообщённые проводнику, располагаются только на его внешней поверхности.

Это ещё раз доказывает, что электростатическое поле внутри проводника отсутствует. Суммарный заряд любой внутренней области проводника равен нулю и не влияет на распределение зарядов на его поверхности и на напряжённость поля внутри проводника.

Читайте так же:
Встроенная техника для кухни как расположить розетки

На этом свойстве проводников и основан принцип действия клетки Фарадея, используемой для электростатической защиты.

И ещё один важный факт, о котором мы с вами должны знать: возле поверхности проводника силовые линии электростатического поля всегда перпендикулярны поверхности.

Докажем это методом от противного. Для этого предположим, что у поверхности проводника силовые линии не перпендикулярны поверхности, то есть вектор напряжённости поля направлен под некоторым углом к ней. Разложим вектор напряжённости на две взаимно перпендикулярные составляющие: одна из них — перпендикулярно поверхности проводника, а вторая направлена по касательной к этой поверхности.

Как мы знаем, в проводнике имеются свободные заряды (для простоты, будем считать, что это положительные заряды). На эти заряды будет действовать электрическая сила со стороны составляющей и направлена она будет вдоль поверхности проводника. Под действием этой силы носители заряда тут же придут в движение и будут перемещаться туда, куда направлена касательная составляющая вектора напряжённости поля. Значит эти заряды будут создавать своё поле, направленное против , которое со временем будет увеличиваться. Это будет продолжаться до тех пор, пока вектор не исчезнет. И вектор напряжённости поля очень быстро повернётся и станет перпендикулярен поверхности проводника.

В 1729 году исследуя явление электризации через влияние английский физик Стефан Грей установил, что все вещества, известные на то время, можно разделить на два класса: способные переносить электрические заряды и этим свойством не обладающие. Соответствующие термины «проводник» и «изолятор» были введены ещё одним английским учёным Жаном Теофилом Дезагюлье.

В 1838 году Майкл Фарадей предложил называть изоляторы диэлектриками, так как в эти вещества способно проникать электростатическое поле.

Давайте посмотрим, что же происходит с диэлектриком, если его поместить в электростатическое поле. Для этого проведём такой опыт. Возьмём длинную деревянную линейку установим на подставке так, чтобы она могла свободно вращаться. Наэлектризуем стеклянную палочку и поднесём её к одному из концов линейки. Как видим, линейка начала поворачиваться в сторону палочки. Следовательно, незаряженный диэлектрик, коим является деревянная линейка, притягивается к заряженному телу. Объяснить это можно только при условии появления на его концах избыточных зарядов, противоположных по знаку.

Рассмотрим механизм перераспределения зарядов по поверхности диэлектрика. Вам уже известно, что все атомы и молекулы состоят из положительно заряженного ядра, вокруг которого с огромной скоростью вращаются отрицательно заряженные электроны. Например, в ядре атома водорода электрон совершает один оборот примерно за 10 –15 секунд. Значит, например, за 10 –9 секунд он совершит один миллион оборотов, и миллион раз побывает в двух любых диаметрально противоположных точках. Это даёт нам основание полагать, что центр распределения отрицательного заряда в атоме приходится на его ядро.

А теперь посмотрим на молекулу поваренной соли. Из химии вам должно быть известно, что в атоме натрия на внешней оболочке есть всего один валентный электрон, слабо связанный с ядром.

А у атома хлора валентных электронов 7. Таким образом, при образовании молекулы поваренной соли единственный свободный валентный электрон натрия захватывается хлором. В результате из двух нейтральных атомов образуются система из двух разноимённо заряженных ионов. Теперь положительный и отрицательный заряды не распределены симметрично по объёму молекулы: центр распределения положительного заряда приходиться на ион натрия, а отрицательного — на ион хлора.

Читайте так же:
Как посчитать ток розетки

На большом расстоянии такую молекулу можно рассматривать как электрический диполь, то есть систему двух равных по модулю и противоположных по знаку зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.

В связи с этим все диэлектрики принято делить на два вида:

неполярные, состоящие из атомов и молекул, у которых центры распределения зарядов совпадают (это, например, парафин, бензол, инертные газы, кислород и так далее);

и полярные, состоящие из молекул, у которых центры распределения зарядов не совпадают (примерами служат спирт, вода, аммиак, ацетон);

У полярных диэлектриков в отсутствие внешнего электростатического поля молекулы-диполи, совершая тепловое движение, располагаются хаотически. Поэтому, результирующее электрическое поле, создаваемое диполями, практически равно нулю, так как в среднем равен нулю электрический заряд.

Когда мы помещаем диэлектрик во внешнее поле, то на каждый диполь начинают действовать две силы, равные по модулю, но противоположные по направлению. Под действием этих сил диполи стремятся повернуться так, чтобы их оси совпали с направлением напряжённости внешнего поля. При этом положительные заряды смещаются в направлении электрического поля, а отрицательные — противоположно этому направлению.

Такое смещение положительных и отрицательных связанных зарядов диэлектрика в противоположные стороны называется поляризацией, а сам диэлектрик в этом состоянии — поляризованным.

Упорядоченное расположение всех диполей вдоль силовых линий возможно только при температуре, близкой к абсолютному нулю. Во всех остальных случаях происходит лишь их частичная ориентация. Это означает, что в среднем число электрических диполей, ориентированных вдоль поля, больше, чем их число, ориентированных против поля. В результате в любой части диэлектрика суммарный электрический заряд всё также будет равен нулю. Но вот на поверхности диэлектрика появятся заряды: с одной стороны преимущественно положительные заряды диполей, с другой — отрицательные.

У неполярных диэлектриков молекулы со сферически симметричным распределением зарядов в отсутствие внешнего электрического поля не создают собственного поля. Под влиянием электростатического поля положительные и отрицательные заряды в пределах молекулы несколько смещаются один относительно другого, образуя диполь. Поэтому, как и в случае с полярными диэлектриками, в неполярных диэлектриках на одной поверхности появляется положительный поляризационный заряд, на другой — отрицательный

Поляризация диэлектрика несколько напоминает электризацию проводника через влияние. Однако между этими явлениями существует глубокое различие. Дело в том, что в проводниках электризация обусловлена наличием свободных зарядов. И если разделить в электрическом поле проводник, заряженный через влияние, то мы получим два противоположно заряженных проводника,

В диэлектрике же поляризационные заряды не перемещаются, поэтому их и называют связанными. Эти заряды нельзя отделить один от другого. И если поляризованный диэлектрик разрезать пополам во внешнем электрическом поле, то на одной стороне каждой половинки будет нескомпенсированный положительный заряд, а на другой — отрицательный.

Читайте так же:
Виды электрических розеток по напряжению

Очевидно, что поляризационные заряды, появившиеся на границе ди­электрика с проводником вследствие его поляризации, создают собственное электростатическое поле, напряжённость которого направлена навстречу напряжённости внешнего поля и ослабляет её, но не компенсирует полностью.

Согласно принципу суперпозиции, модуль напряжённости результирующего электростатического поля внутри диэлектрика равен разности напряжённостей внешнего поля и поля, созданного поляризационными зарядами:

Для характеристики электрических свойств диэлектриков вводят физическую величину, называемую диэлектрической проницаемостью вещества.

Диэлектрическая проницаемость веществаэто скалярная физическая величина, которая показывает, во сколько раз модуль напряжённости электростатического поля внутри однородного диэлектрика меньше модуля напряжённости поля в вакууме:

Различные диэлектрики поляризуются внешним полем по-разному и имеют разную диэлектрическую проницаемость. В таблице приведены диэлектрические проницаемости различных веществ относительно вакуума, диэлектрическая проницаемость которого принанимается за единицу.

Обратите внимание на диэлектрическую проницаемость воздуха. Так как её значение мало отличается от диэлектрической проницаемости вакуума, то при решении большинства задач мы будем считать её равной единице.

Проводники и диэлектрики

Некоторые делят мир на черное и белое, а мы — на проводники и диэлектрики.

  • Проводники — это материалы, через которые электрический ток проходит. Самыми лучшими проводниками являются металлы.
  • Диэлектрики — материалы, через которые ток не проходит. Изи!

Медь, железо, алюминий, олово, свинец, золото, серебро, хром, никель, вольфрам

Воздух, дистиллированная вода, поливинилхлорид, янтарь, стекло, резина, полиэтилен, полипропилен, полиамид, сухое дерево, каучук

То, что диэлектрик не проводит электрический ток, не значит, что он не может накапливать заряд. Накопление заряда не зависит от возможности его передавать.

Теплопроводность материалов на основе эпоксидных компаундов

Данный подход вполне оправдан: в том же строительстве, когда в последние несколько десятков лет остро встал вопрос энергосбережение, конструктивные облицовочные материалы на основе эпоксидок с различными наполнителями имеют широкий разброс в этом показателе. Если, например, эпоксидка с кварцевым наполнением имеет коэффициент теплопроводности 0,30 Вт/м*К (так обозначают этот показатель), то чистая затвердевшая смола без всякого наполнения будет иметь его числовое значение 0,59. Это сравнимо с теплопроводностью воды, у которой данный показатель 0,6, а какой прекрасный теплоноситель и теплообменник вода, объяснять не надо.

Полимер и стекловолокно

Авиастроение, судостроение, автомобильная промышленность

Так что говоря об этом показателе при расчетах теплопроводности материала, есть смысл рассматривать его только в связи с теми наполнителями, которые в него введены, а они могут быть самым разными. В том же судостроении, когда дело касается небольших судов (яхт, катеров, скуттеров) стеклопластиковый корпус, который формируется из слоев стеклоткани, пропитанных эпоксидкой, будет в постоянном контакте с водой, и теплоотдача от него может потребоваться одна., а вот композитные материалы с использованием основы из стеклоткани с пропиткой эпоксидными смолами, применяемые в авиастроении, потребуют совсем других параметров теплопроводности. Ведь при движении со скоростями, близким к скорости звука (у гражданских авиалайнеров) и когда эта величина превосходи 1 или даже 2 МАХа у военных самолетов, вопросы теплообмена встают с особой остротой.

Читайте так же:
Коронка для дрели под розетку

Полимер в судостроении

Пограничное положение между этими отраслями транспорта занимает автомобилестроение, где в формировании кузовов, особенно у легковушек, почти 100% принимает участие стеклопластик на основе эпоксидок. Эффективного теплоносителя в виде воды контактами не предусмотрено, поэтому наполнители и пластификаторы будут применяться другие, со своими коэффициентами теплопроводности.

Строительство

В гражданском строительстве дело усугубляется еще вопросами безопасности. Там от материалов на основе эпоксидных смол потребуется не только эффективная защита от теплопотерь, но и надлежащая пожарная безопасность, безвредность в смысле санитарных норм. Совместить все эти параметры в одном материале часто представляется очень сложной задачей.

На практике это может выглядеть так: коэффициент теплопроводности дерева колеблется у разных пород от 0,4 до 0,04 Вт/м*К, разница в разы. Поэтому деревянные дома гораздо теплее каменных, у который величина может быть от 0, 29 до 2,4 Вт/м*К. Но дерево пожароопасно, даже с использованием специальных пропиток. Камень зачастую дорог, а эпоксидка, пусть даже связанная наполнителями, при нагревании может выделять опасные для здоровья компоненты.

Применение в строительстве

Полимер, который не выделяет ничего, зачастую очень дорог и используется мало.

Приборостроение, электротехника

Скорость отдачи тепла , согласно закону, выведенному еще Ньютоном, прямо пропорциональна разнице температур между телом, подвергшимся нагреву, и окружающей его средой.

Этот закон прекрасно работает и в случае компоновки множества тепловыделяющих элементов в одном, притом в очень ограниченном пространстве. Как это бывает в микроэлектронике, где на платах, сформированных из стеклоткани (в свою очередь, созданной с использованием эпоксидных компонентов) или в приборостроении, когда в ограниченном объеме металлического корпуса содержится до десятков, а то и сотен, таких плат.

Применение в электротехнике

Выходом становится увеличение площади излучающих тепло поверхностей в виде рифленых фрактальных радиаторов из скомпонованной с эпоксидкой меди с ее коэффициентом теплопроводности 401 Вт/м*К (сравните с тем же параметром у эпоксидки – 0,59) или алюминия (чистого), с его коэффициентом равным 237 Вт/м*К (120-180 у различных сплавов). Дополнительным способом теплоотвода от греющихся в процессе эксплуатации электронных приборов становится использование таких радиаторов и куллеров-вентиляторов или, что практикуется в оборонной промышленности, даже жидкостных радиаторов охлаждения таких электронных устройств. Речь идет, разумеется, о стационарных компьютерах или расчетных центрах.

Заключение

Дистиллированная вода в целом не передает ток. Это обусловлено дефицитом в ней солей и иных примесей, которые могут выступать его хорошими проводниками. В связи с этим в стерильных смесях отсутствуют свободные ионы.

У таких смесей очень маленькая удельная электропроводимость. Уровень диэлектрической проницаемости позволяет говорить о том, что дистиллят является диэлектриком, т.е. плохо передает электроразряды.

При этом плохим проводником будет только идеально чистая среда. Домашняя очищенная вода даже после очистки все равно будет иметь в составе соли. Из-за этого она может слабо пропускать токи.

​Влияние на человека

влияние статики на человека

Люди носят одежду и обувь их материалов, не проводящих ток. Это могут быть не только натуральные ткани типа шерсти, но и синтетика. Электризация происходит в процессе движения. При условии, что напольное покрытие сделано из материала, не проводящего электричество. Человека бьет током и при контактах с предметами из диэлектрических материалов. Человек электризуется и сам по себе. Иногда он бьет током окружающих. Легкие и иногда болезненные покалывания на коже – часто основной его признак. В то же время, это не такое безобидное явление, как кажется.

Читайте так же:
Медицинская консоль с розетками

Почему это небезопасно для человека? На производстве это приводит к травмам. Электризация вызывает рефлекторное сокращение мышц, поэтому у человека может нарушиться координация движений. В результате даже при незначительном воздействии на тело, травмы могут быть тяжелыми – из-за попадания одежды в рабочие зоны механизма или из-за падения.

Статика вообще плохо воздействует на человеческий организм. Из-за нее снижается работоспособность, возникает спазм сосудов, повышается артериальное давление. Ниже рассмотрим, что делать, чтобы не било током.

Электролиз

Положительные и отрицательные ионы, будучи носителями свободных зарядов, в то же время являются частицами вещества. Поэтому важнейшее отличие тока в электролитах от тока в металлах состоит в том, что электрический ток в электролите сопровождается переносом вещества.

Явление переноса вещества при прохождении электрического тока через электролит называется электролизом. Законы электролиза были экспериментально изучены Фарадеем.

В процессе электролиза происходит разложение растворённого вещества на составные части и выделение этих частей на электродах. Так, в растворе медного купороса положительные ионы меди идут на катод, в результате чего катод покрывается медью. Кислотный остаток выделяется на аноде.

Естественным образом возникает вопрос о нахождении массы вещества, выделяющегося на электроде за определённое время . Эта масса, очевидно, совпадает с массой данного вещества, перенесённого током за время через электролит.

Пусть — масса одного иона этого вещества, — заряд иона ( — валентность вещества). Предположим, что за время через электролит прошёл заряд . Число ионов, пришедших на электрод, тогда равно . Масса выделившегося на электроде вещества равна суммарной массе пришедших ионов:

Величина является характеристикой вещества и называется его электрохимическим эквивалентом. Значения электрохимических эквивалентов различных веществ приводятся в таблицах.

При протекании через электролит постоянного тока за время проходит заряд . Подставляя это в формулу (1) , получим первую формулу Фарадея:

Первый закон Фарадея. Масса выделяющегося на электроде вещества пропорциональна силе тока, протекающего через электролит, и времени прохождения тока.

Теперь преобразуем выражение для электрохимического эквивалента, введя молярную массу вещества:

Подставляя это выражение в (2) , получим вторую формулу Фарадея:

Второй закон Фарадея. Масса выделяющегося на электроде вещества прямо пропорциональна молярной массе этого вещества и обратно пропорциональна его валентности.

В формуле (3) мы видим произведение двух констант и . Оно также является константой и называется постоянной Фарадея:

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector