1
Электрическое поле в веществе.
Вещество, внесенное в электрическое поле,
может существенно изменить его. Это связано
с тем, что вещество состоит из заряженных
частиц. В отсутствие внешнего поля частицы
распределяются внутри вещества так, что
создаваемое ими электрическое поле в
среднем по объемам, включающим большое
число атомов или молекул, равно нулю.
При наличии внешнего поля происходит
перераспределение заряженных частиц,
и в веществе возникает собственное электрическое
поле. Полное электрическое поле складывается
в соответствии с принципом суперпозиции
из внешнего поля и внутреннего поля ,
создаваемого заряженными частицами вещества.
Вещество многообразно по своим электрическим
свойствам. Наиболее широкие классы вещества
составляют проводники и диэлектрики.
Проводник - это тело или материал, в котором
электрические заряды начинают перемещаться
под действием сколь угодно малой силы.
Поэтому эти заряды называют свободными.
В металлах свободными зарядами являются
электроны, в растворах и расплавах солей
(кислот и щелочей) - ионы. Диэлектрик -
это тело или материал, в котором под действием
сколь угодно больших сил заряды смещаются
лишь на малое, не превышающее размеров
атома расстояние относительно своего
положения равновесия. Такие заряды называются
связанными. Свободные и связанные заряды.
СВОБОДНЫЕ ЗАРЯДЫ 1) избыточные электрич.
заряды, сообщённые проводящему или непроводящему
телу и вызывающие нарушение его электронейтральности.
2) Электрич. заряды носителей тока. 3) положит.
электрич. заряды атомных остатков в металлах.
СВЯЗАННЫЕ ЗАРЯДЫ Электрич. заряды частиц,
входящих в состав атомов и молекул диэлектрика,
а также заряды ионов в кристаллич. диэлектриках
с ионной решёткой.
3
Поляризация диэлектриков —
явление, связанное с ограниченным смещением
связанных зарядов в диэлектрике и поворотом
электрических диполей под воздействием
внешнего электрического поля. Поляризацию
диэлектриков характеризует вектор электрической
поляризации. Физический смысл: поляризованность
— это дипольный момент, который приобретают
полярные молекулы, в единице объема диэлектрика.
Поляризация диэлектрика — состояние
диэлектрика, которое характеризуется
наличием электрического момента у любого
элемента его объема. Типы поляризации
Электронная — смещение электронных оболочек
атомов под действием внешнего электрического
поля. Самая быстрая поляризация (до 10-15
с). Не связана с потерями. Ионная — смещение
узлов кристаллической структуры под
действием внешнего электрического поля,
причем смещение на величину, меньшую,
чем величина постоянной решетки. Время
протекания 10-13 с, без потерь. Дипольная
(Ориентационная) — протекает с потерями
на преодоление сил связи и внутреннего
трения. Связана с ориентацией диполей
во внешнем электрическом поле. Электронно-релаксационная
— ориентация дефектных электронов во
внешнем электрическом поле. Ионно-релаксационная
— смещение ионов, слабо закрепленных
в узлах кристаллической структуры, либо
находящихся в междуузлие. Структурная
— ориентация примесей и неоднородных
макроскопических включений в диэлектрике.
Самый медленный тип. Самопроизвольная
(спонтанная) — благодаря наличию этого
типа поляризации в диэлектрике проявляются
нелинейность свойств, то есть явление
гистерезиса. Отличается очень высокими
значениями диэлектрической проницаемости
(от 900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной
керамики). Введение спонтанной поляризации,
как правило, увеличивает тангенс угла
потерь материала (до 10-2) Резонансная —
ориентация частиц, собственные частоты
которых совпадают с частотами внешнего
электрического поля. Миграционная поляризация
обусловлена наличием в материале слоев
с различной проводимостью, образованию
объемных зарядов, особенно при высоких
градиентах напряжения, имеет большие
потери и является поляризацией замедленного
действия.
4
Вещество, внесенное в электрическое
поле, может существенно изменить его.
Это связано с тем, что вещество состоит
из заряженных частиц. В отсутствие внешнего
поля частицы распределяются внутри вещества
так, что создаваемое ими электрическое
поле в среднем по объемам, включающим
большое число атомов или молекул, равно
нулю. При наличии внешнего поля происходит
перераспределение заряженных частиц,
и в веществе возникает собственное электрическое
поле. Полное электрическое поле складывается
в соответствии с принципом суперпозиции
из внешнего поля и внутреннего поля создаваемого
заряженными частицами вещества. Вещество
многообразно по своим электрическим
свойствам. Наиболее широкие классы вещества
составляют проводники и диэлектрики.
Основная особенность проводников – наличие
свободных зарядов (электронов), которые
участвуют в тепловом движении и могут
перемещаться по всему объему проводника.
Типичные проводники – металлы. В отсутствие
внешнего поля в любом элементе объема
проводника отрицательный свободный заряд
компенсируется положительным зарядом
ионной решетки. В проводнике, внесенном
в электрическое поле, происходит перераспределение
свободных зарядов, в результате чего
на поверхности проводника возникают
нескомпенсированные положительные и
отрицательные заряды (рис. 1.5.1). Этот процесс
называют электростатической индукцией,
а появившиеся на поверхности проводника
заряды – индукционными зарядами.
5
Конденсатор — двухполюсник
с определённым значением ёмкости и малой
омической проводимостью; устройство
для накопления заряда и энергии электрического
поля. Конденсатор является пассивным
электронным компонентом. Обычно состоит
из двух электродов в форме пластин (называемых
обкладками), разделённых диэлектриком,
толщина которого мала по сравнению с
размерами обкладок. Керамические. Керамические
конденсаторы можно подразделить на две
группы в соответствии с диэлектрической
проницаемостью и температурным коэффициентом.
К первой группе относятся конденсаторы,
имеющие небольшую диэлектрическую проницаемость,
малые потери и точное значение температурного
коэффициента. Они применяются для температурной
компенсации резонансных схем в радиоприемниках.
Конденсаторы второй группы, имеющие диэлектрическую
проницаемость более 500, в общем случае
обеспечивают более низкую стабильность
при изменении температуры, имеют большие
потери и более низкое рабочее напряжение
по сравнению с конденсаторами первой
группы. Они пригодны для работы только
при малых переменных напряжениях и используются
главным образом в качестве шунтирующих
конденсаторов. Емкость таких конденсаторов
обычно не превышает 0,015 мкФ с допуском
±20%. Типы Слюдяные. Слюда представляет
собой диэлектрик с высокой стабильностью
и малыми потерями, что позволяет изготовлять
конденсаторы с небольшими допусками.
Рабочее напряжение слюдяных конденсаторов
превышает 300 В, а сопротивление изоляции
находится в пределах от 3000 до 6000 МОм. В
тех случаях, когда требуется иметь высокую
стабильность в течение длительного времени,
для изготовления конденсаторов может
использоваться посеребренная слюда.
Такие конденсаторы имеют очень небольшие
изменения емкости на частотах вплоть
до нескольких мегагерц и часто используются
в контурах промежуточной частоты. Слюдяные
конденсаторы имеют небольшие потери,
изготовляются с допусками 5, 10 и 20%, с номиналами
от 33 пф до 0,01 мкФ. Полистироловые. Основными
достоинствами полистироловых конденсаторов
являются небольшое поглощение энергии
в диэлектрике, очень малый коэффициент
потерь и весьма большое сопротивление
изоляции. Все эти параметры мало изменяются
с температурой, что позволяет использовать
полистироловые конденсаторы в схемах,
которые должны иметь постоянные характеристики
в течение длительного времени. Этот тип
конденсаторов широко применяется в аналоговых
вычислительных устройствах. Их главным
недостатком является невысокая максимальная
температура, которая не должна превышать
60°С. Полиэфирные. Полиэфирные конденсаторы
имеют невысокую стоимость, большое сопротивление
изоляции, по и большее поглощение энергии
в диэлектрике по сравнению с полистироловыми
конденсаторами. Бумажные. Бумажные конденсаторы
изготовляются двух типов: из пропитанной
и металлизированной бумаги. Конденсаторы
общего назначения из пропитанной бумаги
имеют невысокую стоимость, большое отношение
емкости к объему и могут работать при
достаточно высоких постоянных напряжениях.
Такие конденсаторы, имеющие цилиндрическую
форму, изготовляются с емкостями от 0,001
до 1,0 мкФ и допуском ±20%. Независимо от
постоянного рабочего напряжения максимальное
переменное рабочее напряжение (эффективное
значение) обычно равно примерно 300 В на
частоте 50 Гц. Сопротивление изоляции
зависит от вида пропитки и уменьшается
с повышением температуры. Коэффициент
потерь конденсаторов из пропитанш й бумаги
составляет от 0,005 до 0,01 на частоте 1 кГц
и возрастает с частотой, стабильность
их от 1 до 5%. Использование металлизированной
бумаги позволяет получить конденсаторы
меньших размеров при той же емкости. Преимуществом
конденсаторов из металлизированной бумаги
является самоустранение пробоя диэлектрика,
вызванного чрезмерно высоким напряжением.
Однако STJI конденсаторы имеют меньшее
сопротивление изоляции. Конденсаторы
из металлизированной бумаги обычно применяются
в цепях развязки в схемах высокой и промежуточной
частоты. Коэффициент потерь у них обычно
0,02 на частоте 1 кГц и стабильность от 5
до 10%. Электролитические конденсаторы.
По сравнению с другими типами электролитические
конденсаторы имеют большее отношение
емкости к объему, особенно при низких
рабочих напряжениях. Однако их можно
использовать в схемах только таким образом,
чтобы на них подавалось постоянное напряжение
и, кроме того, присоединять их к схеме
следует, строго соблюдая полярность.
Основное применение электролитические
конденсаторы находят для шунтирования
и сглаживания высокочастотных составляющих.
При использовании в сглаживающих фильтрах
источников питания следует обращать
внимание на то, чтобы постоянное напряжение
и амплитуда пульсаций в сумме не превышали
допустимого напряжения конденсатора.
Максимальное допустимое напряжение электролитических
конденсаторов редко превышает 500 В, чаще
всего используются напряжения порядка
6 и 12 В. Когда конденсатор работает при
заданном рабочем напряжении, ток утечки
достаточно большой и возрастает с температурой.
Использование обычных электролитических
конденсаторов при высокой температуре
и больших переменных напряжениях приводит
к сокращению их срока службы. Поэтому
в интересах повышения надежности таких
условий работы по возможности следует
избегать. Для работы в условиях высокой
температуры можно использовать танталовые
электролитические конденсаторы. Они
имеют небольшие размеры 'и меньший ток
утечки по сравнению с обычными электролитическими
конденсаторами. Допустимое напряжение
танталовых конденсаторов составляет
от 2,5 до 15 В, что позволяет использовать
их в транзисторных схемах. Электролитические
конденсаторы в общем случае имеют достаточно
большие допуски: от —20 до +100%. Электроемкостью
конденсатора называют величину, равную
отношению величины заряда одной из пластин
к напряжению между ними. Электроемкость
обозначается "C". По определению
C= q/U. Единицей электроемкоести является
фарад (Ф). 1 фарад — это электроемкость
такого конденсатора, напряжение между
обкладками которого равно 1 вольту при
сообщении обкладкам разноименных зарядов
по 1 кулону.
6
Когда емкость одного конденсатора
мала, то соединяют несколько конденсаторов
параллельно. При параллельном соединении
конденсаторов напряжение между пластинами
каждого конденсатора одно и то же. Поэтому
можно написать U1 = U 2= U 3 = U Следовательно, при параллельном
соединении конденсаторов общая емкость
равна сумме емкостей отдельных конденсаторов.
При параллельном соединении каждый конденсатор
окажется включенным на полное напряжение
сети, поэтому параллельно соединять можно
только те конденсаторы, у которых рабочее
напря жение больше или равно напряжению
сети.
7
Конденсатор - это система заряженных
тел и обладает энергией. Энергия любого
конденсатора:
где С - емкость конденсатора
q - заряд конденсатора U - напряжение на
обкладках конденсатора Энергия конденсатора
равна работе, которую совершит электрическое
поле при сближении пластин конденсатора
вплотную, или равна работе по разделению
положительных и отрицательных зарядов
, необходимой при зарядке конденсатора.