Диэлектрики. Электрическая емкость

Материалы, проводящие электрический ток, называются проводниками. В ряде материалов, называемых диэлектриками, электрический ток проводимости не возникает.

У таких материалов электрические заряды молекул прочно связаны внутримолекулярными силами и свободных электронов очень мало.
К диэлектрикам относятся мрамор, фарфор, слюда, стекло и др.

В молекулах диэлектрика очень трудно отделить отрицательный заряд от положительного, но под действием сил электрического поля внутренние молекулярные заряды упруго смещаются: положительные заряды по направлению поля, а отрицательные — в обратном направлении.

Таким образом, диэлектрик в электрическом поле поляризуется: на поверхности диэлектрика, обращенной к положительно заряженному проводнику, образуется отрицательный заряд — Q, а на противоположной поверхности — положительный заряд +Q.

С устранением внешнего электрического поля эти заряды исчезают.
Система, состоящая из двух проводников, разделенных диэлектриком, называется конденсатором, а проводники — обкладками конденсатора.

Если два таких проводника соединить с полюсами источника электрической энергии, то между ними (и разделяющем их диэлектрике) создается электрическое поле.
Положим, что конденсатор, состоящий из двух металлических пластин А и Б, являющихся его обкладками, подключен к полюсам источника тока.

Если напряжение этого источника U, то очевидно, что обкладки конденсатора находятся под таким же напряжением U.

Электрическое поле, возникшее в диэлектрике конденсатора, характеризуется напряженностью.

Пусть расстояние между обкладками конденсатора l. Напряженность электрического поля представляет собой отношение напряжения на обкладках к расстоянию между ними, т. е. E=U/l.

Если напряжение на обкладках конденсатора выражено в вольтах, а расстояние между параллельно расположенными обкладками — в метрах, то напряженность электрического поля в диэлектрике конденсатора выражается в вольтах на метр (В/м).

Чем больше напряжение на обкладках конденсатора, тем больше напряженность поля в его диэлектрике.

Обкладки конденсатора, соединенные с полюсами источника энергии, имеют положительный и отрицательный заряды.

Величины зарядов, равные между собой по абсолютной величине, пропорциональны напряжению U на обкладках конденсатора.
Значит, если величину заряда на одной из обкладок обозначить буквой Q, то можно написать следующее равенство: Q=CU.
В этом равенстве величина С является так называемой емкостью конденсатора.

Если заряд Q выражен в кулонах, а напряжение U в вольтах, то емкость выражается в Фарадах.

Емкость конденсатора зависит от обкладок, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости.
Емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь S его обкладок и диэлектрическая проницаемость среды, разделяющей их, а также, чем меньше расстояние между обкладками.

Заряд и разряд конденсатора

Подключаем конденсатор к источнику энергии, происходит заряд конденсатора до напряжения между обкладками U, равного напряжению источника Е. Обкладка, соединенная с положительным полюсом источника, получит положительный заряд, вторая обкладка — равный по величине отрицательный заряд Q=CU.

Для заряда конденсатора необходимо, чтобы одна из обкладок потеряла, а другая приобрела некоторое количество свободных электронов.
Электроны движутся от одной обкладки конденсатора на другую под действием напряжения источника. Движение этих зарядов называется током зарядки конденсатора.

С повышением напряжения на конденсаторе ток заряда уменьшается и становится равным нулю. В начальный момент заряда конденсатора напряжение на нем быстро возрастает, так как ток заряда имеет большую величину зарядов и происходит быстрое накопление зарядов на обкладках конденсатора.

С повышением емкости конденсатора возрастает количество зарядов, накапливаемых
на его обкладках, а с увеличением сопротивления цепи уменьшается зарядный ток,
что замедляет накопление зарядов на этих обкладках.

Если заряженный конденсатор замкнуть на какое-либо сопротивление R, то под действием напряжения на конденсаторе будет протекать ток разряда конденсатора.

Разряд конденсатора сопровождается переносом электронов с одной пластины
(где их избыток) на другую (где их недостаток) и продолжается до тех пор, пока потенциалы обкладок не станут одинаковыми, т. е. напряжение на конденсаторе не уменьшится до нуля.

По мере понижения напряжения разрядный ток уменьшается, и перенос зарядов с одной обкладки на другую замедляется. Продолжительность процесса разряда конденсатора зависит от сопротивления цепи и емкости конденсатора. Увеличение сопротивления и емкости увеличивает длительность разряда.

С повышением сопротивления разрядный ток уменьшается, замедляя перенос зарядов с одной обкладки на другую; с возрастанием емкости конденсатора увеличивается заряд на обкладках.

При неизменном напряжении ток через конденсатор не проходит, конденсатор не пропускает постоянный ток, так как между его обкладками помещен диэлектрик.

При заряде конденсатор накапливает электрическую энергию, потребляя ее от источника. Накопленная энергия сохраняется некоторое время.

Чем больше емкость конденсатора и напряжение между его обкладками, тем больше энергия, накопленная им.

Так выглядят неполярные конденсаторы.

Untitled Document

Электролитические конденсаторы

После заряда в конденсаторе определенное время сохраняется накопленная энергия, и напряжение на нем не меняется. При длительном хранении конденсатор полностью разряжается. Это явление называется саморазрядом конденсатора.

Оно объясняется тем, что любой диэлектрик не идеальный изолятор и содержит небольшое количество свободных электронов. Поэтому под действием разности потенциалов заряды переносятся с одной обкладки на другую, т.е. появляется тoк утечки. При большом токе утечки конденсатор считается неисправным.

Соединение конденсаторов.

Соединение конденсаторов в цепи бывает параллельным и последовательным.
При параллельном соединении емкость их равна сумме емкостей, так как параллельное соединение увеличивает общую площадь обкладок:
С=С1+С2+С3

При последовательном соединении конденсаторов уменьшается общая емкость системы, которая будет меньше емкости любого из последовательно включенных конденсаторов, так как последовательное включение подобно увеличению толщины диэлектрика, т. е. расстоянию между обкладками конденсатора.
1/С = 1/С1 + 1/С2 + 1/С3

Диэлектрическая проницаемость

Мы уже знаем, что источник электроэнергии обладает разностью потенциалов, заряженные частицы которых, стремятся друг к другу. Существуют материалы, которые способствуют движению частиц, а так — же есть такие, которые ограничивают их движение.

Первые — это проводники, которыми является большинство металлов, вода,
кислоты, щёлочи и прочие. Вторые — диэлектрики: дерево, воздух, пластмассы и т.д.
Из хороших диэлектриков; фарфора, стекла, текстолита, резины и т.д. изготовляют изоляторы.

В качестве проводника электроэнергии используется медь, алюминий, бронза,
латунь, серебро, золото и их сплавы.
Тем не менее, нужно отметить, что деление тел на проводники и диэлектрики весьма условно. Все вещества в большей или меньшей степени проводят электричество.

Для продолжительного существования электрического тока в проводнике необходимо поддерживать электрическое поле.
Для этих целей используются источники электротока.

Электрическим полем называется материальная среда, в которой обнаруживается силовое действие на зараженные частицы или тела. Условно электрическое поле изображают в виде электрических силовых линий, направление которых совпадает с направлением сил, действующих в нем.

В зависимости от интенсивности поля силовые линии электрического поля изображают расположенными гуще или реже. Среду принято характеризовать особой величиной, называемой диэлектрической проницаемостью.

Сила взаимодействия двух точечных электрических зарядов определяется законом Кулона и направлена по прямой, соединяющей эти заряды (одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются).

Закон Кулона гласит: сила взаимодействия двух точечных электрических зарядов прямо пропорциональна произведению количеств электричества в этих зарядах, обратно пропорциональна расстоянию между ними и зависит от среды, в которой находятся заряды.

Электрическое поле оказывает силовое действие на внесенное в него электрически заряженное тело. Следовательно, электрическое поле может совершить работу,
т. е. оно обладает энергией.

Каждая точка электрического поля может быть характеризована напряженностью поля Е или потенциалом Ф.
Напряженность электрического поля Е (В/м) определяется отношением силы F,
с которой поле действует на точечный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда, т. е. B = Fiq.

Точечным зарядом называется заряженное тело, линейные размер которого ничтожно
малы и заряд, которого в результате этого практически не искажает поля.

При Q, равном единице, Е численно равно 1, следовательно, напряженность
электрического поля численно равно силе поля, действующей на единичный заряд.

Для преодоления сил электрического поля при внесении в него электрического заряда необходимо затрачивать определенную работу.

Запас энергии (потенциальная энергия) единицы количества электричества, находящейся в данной точке электрического поля, называется потенциалом.

Единицей измерения потенциала является вольт (В) или (v). Потенциал Земли принято считать равным нулю, и если проводки соединен с землей, то его потенциал также равен нулю.
Самый простой случай возникновения электрического тока, это когда один конец провода соединен с наэлектризованным телом, а другой с землей. Если мы возьмём отрезок проводника и соединим им две полярности источника, то мы получаем движение заряженных частиц по проводнику от (+) к (-).
Это движение, есть электрический ток.

Электрический ток определяет количество электричества, проходящего через поперечное сечение проводника в единицу времени. Если в проводнике протекает ток 1А, то через поперечное сечение этого проводника в течение 1 сек протекает 1Кулон электричества.

Любое тело обладает свойством сопротивляться движению заряженных частиц (электротоку). Это свойство зависит от вещества, из которого состоит тело, и называется сопротивлением.

У проводников оно мало, у диэлектриков — большое. Источник электроэнергии тоже имеет своё сопротивление, называется оно внутренним сопротивлением источника.

Это свойство проводников широко используется в электрических цепях. Рассмотрим простую схему работы источника электротока со своим внутренним сопротивлением:

При разомкнутой цепи источника движение отсутствует.

При замыкании полюсов течёт ток по замкнутой цепи. По проводнику, у которого имеется своё сопротивление и по собственному внутреннему сопротивлению.

Источник имеет определённое количество электроэнергии. Какой будет величина тока, протекающего по цепи?

Она будет зависеть от разницы потенциалов (мы помним: чем больше разница, тем больше притяжение) и от сопротивления проводника и внутреннего сопротивления источника, как правило, сопротивление источника очень мало и при изучении им можно пренебречь.

Зависимость такая:

электрический ток будет равен тому, что мы получим, когда поделим разность потенциалов участка (величина напряжения) на сопротивляемость этого участка (сопротивление).
Обозначаем: I — электрический ток; U — напряжение; R- сопротивление;
I=U/R или U= IR — это есть знаменитый закон Ома.

Взаимосвязь тока, напряжения и сопротивления можно назвать основным законом электротехники, он применим во всём, что связано с электричеством.

На этом законе построено и работает всё — электрические сети, все возможное электрооборудование, электрические механизмы, электроника, радиотехника и т.д.

Знание и умение объяснить и применить закон Ома — это первый большой шаг в изучении электричества, до конца непознанной науки.

Пример.

Рассмотрим действие электрического тока на примерах:

Общее представление:

Работа тока на электролампу:

Работа тока только через проводник приводит к короткому замыканию так, как сопротивление проводника очень мало.

В данном случае разрушиться может всё, что находится в схеме (источник, проводник, выключатель), разрушение током будет продолжаться до разрыва в самом слабом месте цепи. У нас условно показаны разрывы в нескольких местах.

Это пример с источником большой мощности, обыкновенная батарейка просто потеряет свой заряд.

Если уменьшать сопротивление в цепи, то сопротивление всей цепи уменьшится, а ток в цепи увеличится.
С увеличением тока падение напряжения внутри источника энергии возрастает, так как внутреннее сопротивление источника остается неизменным.

Следовательно, с уменьшением сопротивления внешней цепи напряжение на источнике тоже уменьшается.

При соединении источника энергии с проводником, сопротивление которого равно нулю, ток в цепи I=E/R0. Это наибольший ток, который может быть получен в цепи источника.
I — Сила тока; E — Напряжение; R0 — внутреннее сопротивление источника

Для источников энергии с малым внутренним сопротивлением, например для электрических генераторов и кислотных аккумуляторов, короткое замыкание опасно, оно может вывести из строя эти источники.

Короткое замыкание может возникнуть, из-за нарушения изоляции проводов, соединяющих приемник с источником энергии.

Металлические линейные провода при взаимном соприкосновении образуют малое сопротивление, которое по сравнению с сопротивлением приемника может быть принято равным нулю.

Для защиты аппаратуры от токов короткого замыкания применяют предохранители