Kuhni-nn.ru

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

Проводники, диэлектрики и поток электронов

Проводники, диэлектрики и поток электронов

Электроны атомов разных типов имеют разную степень свободы передвижения. В некоторых типах материалов, таких как металлы, внешние электроны в атомах настолько слабо связаны, что они хаотично перемещаются в пространстве между атомами этого материала не более чем под воздействием тепловой энергии комнатной температуры. Поскольку эти практически несвязанные электроны могут свободно покидать свои атомы и плавать в пространстве между соседними атомами, их часто называют свободными электронами.

Электроизоляционные материалы и их применение

Электроизоляционные материалы широко применяются в промышленности, радио- и приборостроении, развитии электрических сетей. Нормальная работа электрического прибора или безопасность схемы электроснабжения во многом зависит от используемых диэлектриков. Некоторые параметры материала, предназначенного для электрической изоляции, определяют его качество и возможности.

Применение изоляционных материалов обусловлено правилами безопасности. Целостность изоляции является залогом безопасной работы с электрическим током. Весьма опасно использовать приборы с поврежденной изоляцией. Даже незначительный электрический ток может оказать воздействие на организм человека.

Содержание

Основы атомной модели

Электрическое поле взаимодействия с атомом в классической модели диэлектрической проницаемости.

Классический подход к диэлектрической модели, материала состоит из атомов. Каждый атом состоит из облака отрицательного заряда (электронов), привязанных к и окружающим положительный точечный заряд облаком отрицательного заряда (электронами) в центре. В присутствии электрического поля заряда облако искажается, как показано в правой верхней части фигуры.

Это может быть сведен к простой диполи [1] , используя принцип суперпозиции [2]. Диполь характеризуется дипольным моментом [3], векторная величина, показанная на рисунке синяя стрелка с надписью M. Это связь между электрическим полем и дипольным моментом, что порождает поведение диэлектрика. (Обратите внимание, что дипольный момент пунктов в том же направлении, что и электрическое поле на рисунке. Это не всегда так, и это сильное упрощение, но это справедливо для многих материалов.)

Когда электрическое поле удаляется атом возвращается в исходное состояние. Время, необходимое для этого является так называемая релаксация [4] времени; экспоненциального распада.

В этом и заключается суть модели в физике. Поведение диэлектрическое теперь зависит от ситуации. Чем сложнее ситуация, тем богаче модель должна быть точно описана поведением. Важные вопросы:

  • Создается электрическое поле, постоянное или оно меняется со временем? По какой ставке?
  • Не ответ зависит от направления приложенного поля (изотропность [5] материала)?
  • Ответ везде одинаковый (однородность материала)?
  • Делать каких-либо границ или интерфейсы должны быть учтены?
  • Это отклик линейноcти систем [6] относительно поля, или есть нелинейности [7] систем ?

Связь между электрическим полем E и дипольным моментом M порождает поведение диэлектрической проницаемости, которая для данного материала, может быть охарактеризована функцией F и определяется уравнением:

Читайте так же:
Как правильно установить три розетки

<displaystyle mathbf <M data-lazy-src=

Понятие диэлектрической проницаемости является одним из определяющих терминов в электростатике. Он однозначно связан с электронной поляризуемостью материалов — явлением, которое управляет всеми механизмами диэлектрической поляризации.

виды поляризации диэлектриков

Интенсивность поляризационных процессов Р, протекающих в любом диэлектрике, является отношением суммарного дипольного момента к единице объёма конденсатора:

где ε — константа, которая именуется показателем диэлектрической проницаемости абсолютного вакуума.

Итоговая интенсивность поляризационных процессов, которые протекают в диэлектриках, представляет собой векторную сумму нескольких источников: смещения электронов Pэ, смещения ионов Pи, переориентации диполей Pд, и смещения заряда в пространстве Pп:

Поэтому важно знать, в какой мере виды поляризации диэлектриков влияют на их значение в действующих электрических полях разной мощности.

Типы поляризации диэлектриков

Для каждой разновидности поляризационных процессов характерны собственные характеристики времени, которые зависят от показателя частоты имеющегося электрического поля. Быстрее всего реализуется механизм электронного смещения, что чаще всего и случается в высокочастотных полях. Ионная и, тем более, дипольная поляризация возникают при меньшей частотности, поэтому диэлектрическая проницаемость не относится к числу электрофизических констант. Однако при возрастании частоты показатель диэлектрической проницаемости, как правило, снижается, а механизмы её действия теряют первоначальную интенсивность.

Влияние частоты обуславливается сдвигом по фазе на 90 градусов параметров напряжения и тока на идеальном конденсаторе в цепях переменного тока. Фактические материалы-диэлектрики, которые имеются в распоряжении инженеров, характеризуются различного рода дефектами, наличие которые обуславливает дополнительные диэлектрические потери. В частности, значение угла запаздывания, который определяет расхождение между реальным и идеальным токами в конденсаторе получило название тангенса потерь (tg δ) или коэффициента рассеяния. С ростом характеристик диэлектрических констант фактические значения тангенса потерь обычно увеличиваются.

явление поляризации диэлектриков

Частота, на которой используется диэлектрик, определяет влияние механизмов поляризации, отображаемое его материалом. При постоянном мониторинге за сменой показателей электрического поля в переменном контуре возможны три варианта:

  • Когда продолжительность релаксации лишь немного больше, чем инверсия поля, ионы вообще не могут следовать за полем, следовательно, потери невелики;
  • Когда продолжительность релаксации намного быстрее, чем поле инверсии, рассматриваемые процессы могут легко следовать за частотой поля, но потери по-прежнему невелики;
  • Если время релаксации и частота поля одинаковы, процессы следуют за полем с некоторым запаздыванием, а генерируемые потери являются максимальными.

Таким образом эффективность диэлектрика минимальна тогда, когда фактический период релаксации не зависит от характеристик поля. Эти свойством обладают, в частности, диэлектрические композиции из керамических материалов, которые практически всегда являются поликристаллами. В электростатических системах повышенной и высокой частоты такой показатель называют Q-фактором; он считается величиной, которая обратна показателю тангенса потерь.

Читайте так же:
Блоки розеток для серверных стоек

Электронная

Возникает одновременно при активном воздействии электрического поля. В этом случае ядро атома вместе с его электронным облаком движутся во взаимно противоположных направлениях. В результате они удаляются друг от друга, а образующийся диполь обладает крайне малыми размерами. Соответственно эффект поляризации, если и возникает, то имеет весьма незначительные объём и влияние.

Рассматриваемый вид поляризации характеризуется небольшим относительным сдвигом позитивного и негативного заряда, которые перемещаются во взаимно обратных направлениях. Электронная поляризация активна, если имеющееся электрическое поле деформирует область негативно заряженных электронов, которые расположены у позитивно заряженных ядер. Существуют материалы, молекулы которых находятся в состоянии перманентной поляризации. Причина этого явления – наличие сильных и постоянных химических связей. Например, в воде электронный тип поляризации обусловлен молекулами, которые непрерывно вращаются под влиянием сильного электрического поля. В данном случае явление поляризации диэлектриков вызывает э дипольный момент, равный промежутку между центрами смещения негативных и позитивных зарядов, умноженному на их количество. Значение показателя электронной поляризации Р может быть вычислено как величина дипольного момента p, которая отнесена к единице объёма V поляризованного материала

механизмы поляризации диэлектриков

Ионная

В некоторых твёрдых веществах-диэлектриках, например, в керамике, ионы в кристаллической решетке размещаются симметрично, естественно, что в таком случае поляризация отсутствует. Но, если ввести в такое электрическое поле некоторое количество положительно и отрицательно заряженных частиц, то их притягивание будет осуществляться в разных направлениях. Этим вызывается ионная поляризация, вызывающая изменения диэлектрических констант.

Всегда имеется некоторое расстояние между смежными ядрами в молекуле твёрдого тела-диэлектрика, поэтому в молекуле всегда наличествует дипольный момент, который не зависит от характеристик внешнего электрического поля. внешнего электрического поля. Как известно, молекулы поваренной соли имеют только два иона, поэтому в каждой молекуле появляется свой дипольный момент, направление которого – от негативно до позитивно заряженного иона.

Дипольная

Существует много ионных соединений, у которых более двух атомов. В этих случаях количество ионных связей, и, следовательно, моментов, также увеличивается. Результирующий параметр (который заключается в разделении позитивно и негативно заряженных частиц в структуре отдельной молекулы) будет являться векторной суммой отдельных дипольных моментов.

В том случае, когда молекула имеет центр симметрии, равнодействующий дипольный момент молекулы равен нулю. Чистый дипольный момент молекулы присутствует только в асимметричных молекулярных структурах. Эту величину называют постоянным дипольным моментом, поскольку он присутствует там даже тогда, когда внешнее поле отсутствует.

Некоторые твёрдые тела обладают постоянными молекулярными диполями. Они вращаются, создавая при этом средний дипольный момент, который направлен в направлении приложенного поля. Дипольная ориентация часто встречается в полимерных материалах, атомная структура которых допускает подобную переориентацию.

Читайте так же:
Какой тип кабеля использовать для розеток

поляризация диэлектриков в поле

Самопроизвольная

Этот вид электрической поляризации характерен для некоторых непроводящих кристаллов или диэлектриков, у которых отмечается разделение центра положительного и отрицательного электрического заряда. Таким образом, одна сторона кристалла имеет положительный заряд, а противоположная – отрицательный. Направление такой поляризации может быть изменено приложением соответствующего электрического поля. Таие материалы называются сегнетоэлектриками. Типичным примером сегнетоэлектричества являются процессы, происходящие в кристаллах титаната бария BaTiO3 . Эта соль состоит из кристаллов, структурными единицами которых являются крошечные электрические диполи, т.е., в каждом блоке центры положительного заряда и отрицательного заряда разделены. Иногда эти диполи спонтанно выстраиваются в кластеры, называемые доменами, причём в сегнетоэлектриках домены с помощью сильного внешнего электрического поля ориентируются преимущественно в одном направлении. Обращение внешнего поля меняет преобладающую ориентацию сегнетоэлектрических доменов на противоположную, но переключение на новое направление отстаёт от изменения внешнего электрического поля. Это отставание называется сегнетоэлектрическим гистерезисом.

Выше характерной температуры, называемой температурой точки Кюри, явление сегнетоэлектричества исчезает, потому что тепло интенсивно встряхивает диполи и тем самым преодолевает силы, самопроизвольно выравнивающие их.

Механизмы поляризации диэлектриков, кроме описанных, реализуются и в форме межфазной поляризации. В керамических материалах это явление возникает из-за посторонних зарядов, которые возникают из-за загрязнений или неправильной геометрии на границах раздела поликристаллических твердых тел. Эти заряды частично подвижны, поэтому перемещаются под действием приложенного поля.

Полярные и неполярные диэлектрики

Для ответа на поставленный вопрос рассмотрим состав вещества. К 10 классу уже известно, что атомы любого вещества состоят из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядер равен заряду электронов, поэтому в целом вещество электрически нейтрально.

Однако, в пространстве электрический заряд может быть распределен по-разному.

Например, ядра и электроны могут быть расположены симметрично. В этом случае центр распределения положительного и отрицательного заряда совпадает. Скажем, в молекуле углекислого газа два атома кислорода располагаются симметрично по разные стороны от атома углерода.

Диэлектрики в электростатическом поле – кратко о двух видах диэлектриков, поляризация и напряженность (10 класс)

Рис. 2. Пространственная структура молекулы углекислого газа.

У других веществ распределение положительных и отрицательных зарядов несимметрично. К таким веществам, например, относится обычная вода. В молекуле воды имеется один двухвалентный атом кислорода, и два атома водорода, образующие равнобедренный треугольник, в котором угол при вершине (атоме кислорода) составляет около 105⁰.

Диэлектрики в электростатическом поле – кратко о двух видах диэлектриков, поляризация и напряженность (10 класс)

Рис. 3. Пространственная структура молекулы воды.

Получается, что в вершине треугольника отрицательные электроны расположены плотнее, чем в его основании. А положительная вершина имеет более концентрированный двойной заряд, по сравнению с более распределенным положительным зарядом основания. Все это приводит к тому, что центр отрицательного заряда в молекуле воды расположен ближе к вершине треугольника, и не совпадает с центром положительного заряда.

Читайте так же:
Как подключит розетку фаркопа форестер

Таким образом, существует два вида диэлектриков – полярные и неполярные, у которых распределение заряда несимметрично и симметрично соответственно.

Для того, чтобы в проводнике существовал электрический ток длительное время, необходимо поддерживать неизменными условия, при которых возникает электрический ток.

Во внешней цепи электрические заряды движутся под действием сил электрического поля. Но, чтобы поддерживать разность потенциалов на концах внешней цепи, необходимо перемещать электрические заряды внутри источника тока против сил электрического поля. Такое перемещение может осуществляться только под действием сил неэлектростатической природы.

Силы, вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника постоянного тока против направления действия сил электростатического поля, называются сторонними силами. Сторонние силы в гальваническом элементе или аккумуляторе возникают в результате электрохимических процессов, происходящих на границе раздела электрод – электролит. В машине постоянного тока сторонней силой является сила Лоренца.

Последовательное и параллельное соединение проводников

Проводники в электрических цепях постоянного тока могут соединяться последовательно и параллельно.

При последовательном соединении электрическая цепь не имеет разветвлений, все проводники включают в цепь поочередно друг за другом.

Сила тока во всех проводниках одинакова, так как в проводниках электрический заряд не накапливается и через поперечное сечение проводника за определенное время проходит один и тот же заряд.

При последовательном соединении проводников их общее электрическое сопротивление равно сумме электрических сопротивлений всех проводников.

При параллельном соединении электрическая цепь имеет разветвления (точку разветвления называют узлом). Начала и концы проводников имеют общие точки подключения к источнику тока.

При этом напряжение на всех проводниках одинаково. Сила тока равна сумме сил токов во всех параллельно включенных проводниках, так как в узле электрический заряд не накапливается, поступающий за единицу времени в узел заряд равен заряду, уходящему из узла за то же время.

Соединение источников тока

Соединение источников тока

Соединение источников тока

Химические источники э. д. с. (аккумуляторы, элементы) включаются между собой последовательно, параллельно и смешанно.

Последовательное соединение источников э. д. с. На рисунке представлены три соединенных между собой аккумулятора. Такое соединение аккумуляторов, когда минус каждого предыдущего источника соединен с плюсом последующего источника, называется последовательным соединением. Группа соединенных между собой аккумуляторов или элементов называется батареей.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector