В чем проявляется силовое действие электрического поля

помогите пожалуйста ответить на вопросы по физике

1.Какие виды материи вы знаете?
2.Как называется поле неподвижных зарядов?
3.Что является источником электрического поля?
4.Главное свойство любого электрического поля?
5.Какой закон орпеделяет силу взаимодействия зарядов?
6.Как называется величина характеризующая силовое действие электрического поля ? Как её вычислить?
7.Как направлены силовые линии электрического поля?
8.Как изменится напряжённость при увеличении электрического заряда?
9.Как изменится напряжённость при увеличении расстояния от точки до заряда?
10.Как измениться сила действущая на заряд если напряженность электрического поля увеличить в 2 раза?

Голосование за лучший ответ

5)Закон Кулона
1)электрическое поле
2)электрическое
3)заряд
6)напряжение ее формула: E=F:q(где Е-напряжение, F-сила, q-заряд
7)они указывают направление силы, действующей в этом поле на помещаемую в него положительно заряженную частицу.
8)тоже увеличится тк он равен силе заряда.
это все что я смогла найти))

9.Напряжённость уменьшится.
1. Вещество, антивещество и поле

10.Сила действующая на заряд увеличится в 2 раза

Использование силового действия электрического поля для временного и постоянного соединения материалов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Пщелко Н.С., Полль А.С., Репетух Д.О.

Физические процессы, приводящие к появлению больших сил притяжения между телами, соединяемыми электроадгезионным способом, связаны с образованием электрических полей больших напряженностей на границе контакта. Неразрушающий способ контроля прочности получаемых соединений ионный диэлектрик проводник основан на взаимосвязи между зависимостью тока от времени, протекающего при формировании соединения и прочностью получаемого соединения. Теоретически обоснован новый технологический прием для неразрушающего контроля качественных соединений. Полученные результаты подтверждаются экспериментально.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Пщелко Н.С., Полль А.С., Репетух Д.О.

Неразрушающий контроль прочности электроадгезионных соединений проводник — ионный диэлектрик
Анализ влияния пространственного распределения заряда на электроадгезионные силы
Влияние дискретности распределения заряда на электроадгезию
Повышение адгезии электропроводящих пленок к диэлектрическим подложкам электроадгезионным способом
Анализ динамики процесса формирования электро адгезионного контакта
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Использование силового действия электрического поля для временного и постоянного соединения материалов»

Н.С.ПЩЕЛКО, канд. техн. наук, доцент, nikolsp@mail.ru А.С.ПОЛЛЬ, студент, anton-poll@yandex.ru Д.О.РЕПЕТУХ, студент, repetuh_d_o@mail.ru Санкт-Петербургский государственный горный университет

N.S.PSHCHELKO, PhD in eng. sc., associate professor, nikolsp@mail.ru A.S.POLL, student, anton-poll@yandex.ru D.O.REPETUH, student, repetuh_d_o@mail.ru Saint Petersburg State Mining University

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИЛОВОГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ДЛЯ ВРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО СОЕДИНЕНИЯ

Физические процессы, приводящие к появлению больших сил притяжения между телами, соединяемыми электроадгезионным способом, связаны с образованием электрических полей больших напряженностей на границе контакта. Неразрушающий способ контроля прочности получаемых соединений ионный диэлектрик — проводник основан на взаимосвязи между зависимостью тока от времени, протекающего при формировании соединения и прочностью получаемого соединения. Теоретически обоснован новый технологический прием для неразрушающего контроля качественных соединений. Полученные результаты подтверждаются экспериментально.

Ключевые слова: неразрушающий контроль, адгезия, электрическое поле.

USE OF POWER ACTION OF ELECTRIC FIELD FOR TEMPORARY AND PERMANENT CONNECTION OF MATERIALS

Physical processes that lead to the emergence of large forces of attraction between bodies, joined by anodic bonding technology result from the large electric fields strengths at the contact interface. Nondestructive method of monitoring the strength of obtained conductor-to ionic dielectric anodic bonding seals is based on the relationship between the dependence of current versus time flowing in the formation of seals and the strength of the resulting seals. Theoretically justified a new technological method for nondestructive testing of high-quality anodic bonding seals. The results obtained are confirmed experimentally.

Key words, nondestructive testing, adhesion, electric field.

В настоящее время процессы склеивания, прилипания, постоянного или временного закрепления объектов фигурируют в том или ином виде практически во всех областях производства. Поэтому разработка теоретических представлений об адгезии, а также разработка новых способов соединения материалов представляет безусловный интерес. Под адгезией (от латинского adhaesio — прилипание, сцепление, притяжение) подразумевается связь между разно-

родными конденсированными телами при их контакте. Проявляется адгезия в способности при контакте двух разнородных тел сопротивляться разрушению контакта. Поэтому явления, связанные с адгезией, естественно относить к поверхностным явлениям, контролируемым поверхностными силами.

Еще в 40-х гг. прошлого века была выдвинута теория адгезии, основанная на общем положении Гельмгольца о возникновении двойного электрического слоя на гра-

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т. 196

нице раздела фаз. Ее дальнейшим развитием явилась электронная теория адгезии, в которой исследовались процессы формирования двойного слоя при образовании связи между соединяемыми поверхностями и его вклад в прочность последней [1]. В соответствии с теоретическими исследованиями развивались и экспериментальные работы, в которых подтверждались основные положения электронной теории адгезии и обозначилась новая область исследований — электроадгезионные явления. Под этим термином подразумеваются электрические явления, связанные с процессами установления и разрушения связи между телами. В экспериментах обозначилась связь электроадгезионных явлений с явлениями трибоэлектричества и триболюминесценции, была обнаружена эмиссия быстрых электронов при нарушении адгезионного контакта в вакууме.

Из самых общих представлений об адгезии вполне естественным образом вытекает предположение о возможности регулирования адгезии с помощью приложения к соединяемым объектам электрического напряжения. Несмотря на то, что эта возможность доказана экспериментально, в настоящее время соответствующие методики используются недостаточно широко. В частности, это относится и к электроадгезионному способу соединения материалов, который будет рассмотрен в настоящей работе.

Электроадгезией называется взаимодействие объектов, например, твердых тел, приводящее к их скреплению друг с другом от приложения к этим объектам электрического напряжения. Электроадгезия является результатом электростатического (пондеро-моторного) притяжения электризованных тел, при котором заряды разных знаков оказываются разделены зазором между контактирующими поверхностями или тонким слоем одного из скрепляемых объектов, обедненном носителями заряда и имеющим поэтому повышенное сопротивление, примыкающее к поверхности раздела контакта. Большая часть приложенного напряжения поэтому падает на этот узкий слой, что и является причиной появления больших электростатических полей и сил.

Различают электроадгезию управляемую (объекты соединяют на время, ограниченное воздействием электрического напряжения) и неуправляемую (образуется неразъемное соединение, сохраняющееся и после окончания внешних воздействий). Подобная классификация условна, так как начальной стадией процесса образования неразъемного соединения всегда является управляемая электроадгезия.

Приложение электрического напряжения и активация дрейфа заряженных частиц в дополнение к их диффузии приводит к тому, что неразъемное соединение твердотельных объектов образуется при существенно меньших температурах, чем при диффузионной сварке. Неуправляемый электроадгезионный контакт (НЭАК) можно успешно использовать при получении неразъемных прочных вакуумноплотных соединений из таких материалов, как керамика, си-таллы, стекла, кварц и других ионных диэлектриков с различными металлическими проводниками и полупроводниковыми кристаллами в различных сочетаниях. Перспективно использование НЭАК при сборке и герметизации особо точных полупроводниковых и микроэлектронных приборов, например, полупроводниковых тензопреобра-зователей. Поскольку пондеромоторное давление действует «изнутри» соединительного шва, при помощи НЭАК можно соединять хрупкие детали, причем без промежуточных слоев (припои, клеи и т.п.) и при температурах существенно ниже плавления. Наилучшие результаты при этом получаются при соединении объектов с хорошо обработанными (полированными) поверхностями. Исследование поперечного и косого шлифов НЭАК с помощью доступного оборудования не позволило определить толщину переходного слоя между соединенными материалами. Однако, поскольку разрешение применявшейся установки составляло 0,5 мкм, можно предположить, что толщина переходного слоя очень мала, во всяком случае не превышает указанной величины. Поэтому представляется особенно перспективным использование технологии НЭАК при изготовлении электромеханических пре-

Рис. 1. Схема получения электроадгезионного соединения ионный диэлектрик — проводник

1 — металл (полупроводник); 2 — диэлектрик; 3 — области фактического контакта; 4 — воздушный зазор, обусловленный шероховатостью контактирующих поверхностей; 5 — слой локализации объемного заряда в диэлектрике

образователей в изделиях микросистемной техники — бурно развивающейся в настоящее время области микроэлектроники — там, где особенно актуально отсутствие промежуточных слоев и прецизионность соединения. Увеличение с помощью пондеромотор-ных сил адгезии тонких слоев из различных материалов к подложкам позволяет повысить надежность и срок службы пленочных приборов, например, тонкопленочных микросхем, технических зеркал для лазеров и др.

Применяемые способы соединения различных материалов (например, сварка плавлением, контактная сварка, диффузионная сварка) не всегда могут преодолеть барьер несовместимости металлов и полупроводников с диэлектрическими материалами и обеспечить получение высококачественных соединений многих из них. Поэтому разработка теоретических представлений о возможностях нетрадиционных способов закрепления материалов (постоянного или временного) и контроля качества получаемых соединений представляет очевидный интерес.

Одним из таких способов является электроадгезионный способ соединения материалов (рис.1).

Физические процессы, приводящие к появлению больших сил притяжения между

соединяемыми телами, связаны с образованием электрических полей больших напря-женностей на границе контакта. Для получения больших усилий притяжения в точках фактического контакта в электроадгезионном способе соединения материалов используется миграционная поляризация, наблюдаемая в ионных диэлектриках и проявляющаяся в образовании тонкого (единицы микрометров) приповерхностного высоко-омного слоя диэлектрика у анода толщиной xm (рис.1). Этот слой образуется в результате действия приложенного извне электрического поля, вынуждающего покидать места своего закрепления слабосвязанные ионы (в стекле, например, это могут быть положительные ионы натрия, калия и т.п.). Таким образом, прианодный слой «очищается» от носителей тока и, следовательно, приобретает большое сопротивление. Тогда в точках фактического контакта приложенное напряжение будет падать не на всю толщину диэлектрика, а на узкий прианодный слой. Тем самым будет обеспечено большое пон-деромоторное давление не только в воздушном зазоре, но и в точках фактического контакта. При одновременном воздействии повышенной температуры при этом образуется НЭАК — «склейка» за счет электростатических сил данной пары материалов, сохраняющаяся и после отключения напряжения за счет взаимодиффузии соединяемых материалов.

Механизм протекания электрического тока через НЭАК в процессе его получения может быть положен в основу метода его неразрушающего контроля. Идея предлагаемого неразрушающего способа контроля прочности получаемых НЭАК ионный диэлектрик — проводник основана на взаимосвязи между зависимостью тока от времени, протекающего при формировании НЭАК, и прочностью получаемого соединения. В соответствии с рассмотренной в [3] моделью с течением времени возрастают «тянущие» электроадгезионные силы. Это приводит к увеличению площади фактического контакта соединяемых поверхностей и поэтому росту тока. Однако в целом, как правило, наблюдается уменьшение тока в процессе

получения НЭАК. Это обусловлено увеличением с течением времени толщины при-анодной области хт локализации объемного заряда [3]. Поскольку эта область при формировании НЭАК вследствие миграционной поляризации «очищается» от ионов, способных участвовать в проводимости, ее сопротивление оказывается велико, что и приводит к значительному (обычно на 1-3 порядка) уменьшению тока в конце процесса соединения. Таким образом, существует два конкурирующих процесса, влияющих на характер зависимости тока от времени, причем в случае, когда соединение успешно формируется за счет роста с течением времени площади фактического контакта, среднее значение тока и прошедший заряд оказываются значительно больше, чем в ситуации, когда соединение по каким-либо причинам не произошло. Иногда (например, при успешном соединении кремниевой пластины со щелочным стеклом) возможно даже появление локального максимума на зависимости тока от времени.

По полученным в работе [4] выражениям можно рассчитать зависимость площади фактического контакта НЭАК от времени. На основе этого результата и с учетом конечных значений удельных сопротивлений прианодной обедненной ионами области в настоящей работе были рассчитаны зависимости тока от времени при получении НЭАК (рис.2). При определенных параметрах соединяемых материалов на графике зависимости виден максимум тока от времени. Это объясняется более сильным проявлением фактора, влияющего на рост тока (увеличение площади фактического контакта), чем фактора, влияющего на уменьшение тока (увеличение толщины прианодной области с высоким сопротивлением).

Из рассмотренной модели следует, что ток, протекающий во внешней цепи при образовании НЭАК, связан с образованием участков фактического контакта соединяемых поверхностей. Поверхности наряду с микрорельефом содержат макровыступы и макровмятины. Поэтому при успешном формировании НЭАК на зависимостях тока от времени возможно появление характер-

Рис.2. Типичные зависимости тока от времени

при получении НЭАК 1 — ток в системе, не подвергшейся соединению; 12 и 13 — токи в системе при успешном осуществлении НЭАК для диэлектриков с различной удельной проводимостью обедненного прианодного слоя диэлектрика

ных «пиков», свидетельствующих о ступенчатом соединении площади.

Поскольку площадь фактического контакта пропорциональна прочности НЭАК, временная зависимость тока, протекающего через НЭАК при его получении, позволяет судить о прочности НЭАК в процессе его формирования и при необходимости обоснованно изменять параметры технологического режима (температуру, электрическое напряжение, время выдержки). Когда соединение образуется (рис.2), площадь под токовой кривой значительно больше, чем в случае, когда оно не происходит. На величину этой площади характер соединения (отдельными участками или плавный) существенно не влияет. Поэтому в качестве параметра, на основе которого можно нераз-рушающим способом судить о прочности формируемого НЭАК в процессе его получения, рационально выбирать величину заряда (на единицу соединяемой площади), прошедшего через НЭАК при его получении.

Разработанные в настоящей работе методы были использования при создании новых технологий получения и контроле ме-таллодиэлектрических структур с помощью электростатического поля [1,2].

Метод контроля прочности НЭАК является неразрушающим. Переходный слой при получении НЭАК получается очень тонким. Поэтому известные ультразвуко-

вые, акустические, радиоскопические способы контроля прочности в рассматриваемом случае использовать затруднительно и разработанный метод может оказаться незаменимым.

1. Влияние постоянного электрического поля на процессы осаждения тонких металлических пленок платины методом ионно-плазменного распыления / В.П.Афанасьев, Д.А.Чигирев, Н.С.Пщелко, Н.П.Сидорова // Радиоэлектроника. 2010. Вып.6. С.59-65.

2. НагорныйВ.С. Анализ динамики процесса формирования электроадгезионного контакта / В.С.Нагорный, Н.С.Пщелко, Н.П.Сидорова // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Сер. Информатика, телекоммуникации, управление. 2009. № 6. С.166-170.

3. Пщелко Н.С. Влияние шероховатости поверхностей электроадгезионного контакта на его силовые характеристики / Н.С.Пщелко, Т.В.Стоянова // Цветные металлы. 2008. № 5. С.51-57.

4. Сетчатые иерархические пористые структуры с электроадгезионными контактами / И.Е.Грачева, С.С.Карпова, В.А.Мошников, Н.С.Пщелко // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010. № 8. С.27-32.

1. Afanasev V.P., Chigiriov D.A., Pshchelko N.S., Si-dorova N.P. Influence of a dc electric field on the deposition of ion-plasma sputtering thin metal films of platinum // Proceedings of Russian Universities. Radioelectronics. Saint Petersburg. 2010. Issue 6. P.59-65.

2. Nagorni V.S., Pshchelko N.S., Sidorova N.P. Analysis of the dynamics of the anodic bonding contact formation // Scientific and technical statements, Saint Petersburg Polytechnic University. Ser. Information technology, telecommunications and control. 2009. N 6. P.166-170.

3. Pshchelko N.S., Stoyanova T. V. Influence of anodic bonding surface roughness contact on its power characteristics // Non Ferrous Metals. 2008. N 5. P.51-57.

4. Gracheva I.E., Karpova S.S., Moshnikov V.A. Pshchelko N. S. Net hierarchical porous structures with anodic bonding contacts // Proceedings of the Saint Petersburg Electrotechnical Institute. 2010. N 8. P.27-32.

В чем проявляется силовое действие электрического поля

Для объяснения природы электрических взаимодействий заряженных тел допускается наличие в окружающем заряды пространстве физического поля, осуществляющего это взаимодействие. В таком поле силовые взаимодействия между телами осуществляются через особую материальную среду, окружающей взаимодействующие тела и передающей любые изменения таких взаимодействий в пространстве с конечной скоростью. Электрическое поле создается как неподвижными, так и движущимися зарядами. Наличие электрического поля оказывает силовое действие на движущиеся и неподвижные электрические заряды. Такое поле способно индуцировать электрические заряды на поверхности проводящих нейтральных тел.

Термин «электрическое поле» первым внес в физику М. Фарадей – это особый вид материи, существующий вокруг любого электрического заряда и проявляющий себя в действии на другие заряды .

Таким образом, в физике создаваемое неподвижными электрическими зарядами поле принято называть электростатическим полем. Оно представляет собой частный случай электромагнитного поля, посредством которого осуществляются силовые взаимодействия между электрически заряженными телами, движущимся произвольным образом относительно системы отсчета.

Количественной характеристикой силового действия электрического поля на заряженные тела является напряжённостью электрического поля: E = F / q _пр . Напряженность поля определяется отношением силы F , действующей со стороны поля на точечный «пробный заряд» q _пр , помещенный в рассматриваемую точку поля, к величине этого заряда.

Закон Кулона позволил определить выражение для напряжённости электрического поля, создаваемого точечным зарядом q в однородной изотропной среде на расстоянии r от заряда: _. Здесь r – радиус-вектор, соединяющий заряды q и q _пр .

Напряжённость поля точечного заряда во всех точках поля направлена радиально от заряда при q > 0 и к заряду при q < 0.

По­пы­та­ем­ся те­перь оха­рак­те­ри­зо­вать элек­тро­ста­ти­че­ское поле несколь­ких за­ря­дов. В этом слу­чае необ­хо­ди­мо вос­поль­зо­вать­ся сло­же­ни­ем век­тор­ных ве­ли­чин на­пря­жен­но­стей всех за­ря­дов. Вне­сем понятие «проб­ный заряд» и за­пи­шем сумму век­то­ров сил, дей­ству­ю­щих на этот заряд. Ре­зуль­ти­ру­ю­щее зна­че­ние на­пря­жен­но­сти по­лу­чит­ся при раз­де­ле­нии зна­че­ний этих сил на ве­ли­чи­ну проб­но­го за­ря­да. Дан­ный метод на­зы­ва­ет­ся прин­ци­пом су­пер­по­зи­ции [3-4] .

Напряжённость поля, создаваемого системой неподвижных точечных зарядов q ₁ , q ₂ , q ₃ , …, q _n , равна векторной сумме напряжённостей электрических полей, создаваемых каждым из этих зарядов в отдельности (принцип суперпозиции):
. Здесь r _i – расстояние между зарядом q _i и рассматриваемой точкой поля.

Принцип суперпозиции [3-4], позволяет рассчитывать не только напряжённость поля системы точечных зарядов, но и напряженность поля в проводнике, где имеет место непрерывное распределение заряда. Заряд тела можно представить как сумму элементарных точечных зарядов dq .

Метод графического изображения электрического поля был предложен английским физиком Майклом Фарадеем. На чертеже изображаются непрерывные линии, которые называют линиями напряженности, или силовыми линиями [1-2].

Таким образом, силовые линии имеют то же направление, что и напряжённость поля и не пересекаются, так как в каждой точке электрического поля вектор E имеет лишь одно направление. С помощью силовых линий можно дать количественную характеристику напряжённости электрического поля. Для этого плотность силовых линий выбирается пропорционально модулю вектора напряженности. Плотность силовых линий определяется как число линий, пронизывающих единичную поверхность в направлении, перпендикулярном к этой поверхности. Изображение силовых линий позволяет получать картину поля, которая наглядно показывает, чему равна напряженность в разных частях поля и как она изменяется в пространстве.

Отметим важные свойства силовых линий:

— начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах;

— плотность линий тем больше, чем больше напряженность;

— напряженность поля прямо пропорциональна количеству силовых линий, проходящих через единицу площади поверхности.

Графическое изоб­ра­жение на­пря­жен­ности элек­тро­ста­ти­че­ско­го поля си­ло­выми линиями иногда называют « ли­ни­я­ми на­пря­жен­но­сти» [8]. Такое изоб­ра­же­ние можно по­лу­чить, по­стро­ив век­то­ра на­пря­жен­но­сти поля в как можно боль­шем ко­ли­че­стве точек вб­ли­зи дан­но­го за­ря­да или целой си­сте­мы за­ря­жен­ных тел (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1. Линии на­пря­жен­но­сти элек­три­че­ско­го поля

Рас­смот­рим несколь­ко при­ме­ров изоб­ра­же­ния си­ло­вых линий. Линии на­пря­жен­но­сти вы­хо­дят из по­ло­жи­тель­но­го за­ря­да (рисунок 1.1, а), то есть по­ло­жи­тель­ный заряд яв­ля­ет­ся ис­точ­ни­ком си­ло­вых линий. За­кан­чи­ва­ют­ся линии на­пря­жен­но­сти на от­ри­ца­тель­ном за­ря­де (рисунок 1.1, б).

Если проводник со­сто­ит из по­ло­жи­тель­но­го и от­ри­ца­тель­но­го за­ря­да и на­хо­дя­тся на ко­неч­ном рас­сто­я­нии друг от друга, линии напряженности между зарядами обозначаются как на рисунке 1.2, а. В этом слу­чае линии на­пря­жен­но­сти на­прав­ле­ны от по­ло­жи­тель­но­го за­ря­да к от­ри­ца­тель­но­му заряду.

Боль­шой ин­те­рес пред­став­ля­ет элек­три­че­ское поле между двумя бес­ко­неч­ны­ми плос­ко­стя­ми. Если одна из пла­стин за­ря­же­на по­ло­жи­тель­но, а дру­гая от­ри­ца­тель­но, то в за­зо­ре между плос­ко­стя­ми со­зда­ет­ся од­но­род­ноеэлек­тро­ста­ти­че­ское поле, линия на­пря­жен­но­сти ко­то­ро­го ока­зы­ва­ют­ся па­рал­лель­ны­ми друг другу (рисунок 1.2, б).

Рисунок 1.2. Линии на­пря­жен­но­сти поля между двумя за­ря­дами (а)

и заряженными пластинами (б, в)

В слу­чае неод­но­род­но­гоэлек­три­че­ско­го поля ве­ли­чи­на на­пря­жен­но­сти опре­де­ля­ет­ся плотностью си­ло­вых линий: там, где си­ло­вые линии плотнее друг другу, ве­ли­чи­на на­пря­жен­но­сти поля боль­ше (рисунок 1.2, в).

Таким образом, ли­ни­я­ми на­пря­жен­но­сти на­зы­ва­ют непре­рыв­ные линии, ка­са­тель­ные к ко­то­рым в каж­дой точке сов­па­да­ют с век­то­ра­ми на­пря­жен­но­сти в этой точке. Линии на­пря­жен­но­сти яв­ля­ют­ся непре­рыв­ны­ми, на­чи­на­ют­ся на по­ло­жи­тель­ных за­ря­дах и за­кан­чи­ва­ют­ся на от­ри­ца­тель­ных зарядах.

Закон Ку­ло­на при­ме­ним толь­ко для то­чеч­ных по­ко­я­щих­ся за­ря­дов, а также за­ря­жен­ных ша­ри­ков, сфер. На­пря­жен­ность же поз­во­ля­ет ха­рак­те­ри­зо­вать элек­три­че­ское поле вне за­ви­си­мо­сти от формы за­ря­жен­но­го тела, ко­то­рое это поле со­зда­ет.

При перемещении пробного заряда q в электрическом поле электрические силы совершают работу А . Эта работа при малом перемещении равна (рисунок 1.3):

Рисунок 1.3. Работа электрических сил при малом перемещении заряда q

На рисунке 1.4 изображены силовые линии кулоновского поля точечного заряда q и две различные траектории перемещения пробного заряда из начальной точки (1) в конечную точку (2). На одной из траекторий выделено малое перемещение . Работа Δ A кулоновских сил на этом перемещении равна:

Таким образом, работа на малом перемещении зависит только от расстояния r между зарядами и его изменения Δ r .

Полученный результат не зависит от формы траектории. На траекториях I и II, изображенных на рисунке 1.4, работы кулоновских сил одинаковы. Если на одной из траекторий изменить направление перемещения заряда q на противоположное, то работа изменит знак. Отсюда следует, что на замкнутой траектории работа кулоновских сил равна нулю.

Рисунок 1.4. Работа кулоновских сил при перемещении заряда q

зависит только от расстояний r ₁ и r ₂ траектории

В разделе физики «Электростатика» энергию принято обозначать буквой W , так как буквой E обозначают напряженность поля. Так же, как и в механике, потенциальная энергия определена с точностью до постоянной величины, зависящей от выбора опорной нулевой точки. Такая неоднозначность в определении потенциальной энергии не приводит к каким-либо недоразумениям, так как физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а разность ее значений в двух точках пространства.

Потенциальная энергия заряда q , помещенного в электростатическое поле, пропорциональна величине этого заряда. Физическую величину, равную отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда, называют потенциалом электрического поля: φ = W _p / q . Потенциал φ является энергетической характеристикой электростатического поля.

Во многих задачах электростатики при вычислении потенциалов за опорную нулевую точку удобно принять бесконечно удаленную точку. В этом случае понятие потенциала может быть определено следующим образом: потенциал поля в данной точке пространства равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность: φ _∞ = А _∞ / q .

Потенциал φ _∞ поля точечного заряда q на расстоянии r от него относительно бесконечно удаленной точки вычисляется следующим образом:

Эта формула выражает потенциал поля однородно заряженного шара при r ≥ R , где R – радиус шара. Для наглядного представления электростатического поля наряду с силовыми линиями используют «эквипотенциальные» поверхности (рисунок 1.5).

Таким образом, поверхность, во всех точках которой потенциал электрического поля имеет одинаковые значения, называется «эквипотенциальной» поверхностью (поверхностью равного потенциала).

Силовые линии электростатического поля всегда перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям. Значит, эквипотенциальные поверхности кулоновского поля точечного заряда являются концентрическими сферами. На рисунке 1.5 представлены картины силовых линий и «эквипотенциальных» поверхностей некоторых простых электростатических полей.

Рисунок 1.5. Эквипотенциальные поверхности (синие линии) и силовые линии (красные линии) простых электрических полей: a – точечный заряд; b – электрический диполь; c – два равных положительных заряда

Из принципа суперпозиции напряженностей полей, создаваемых электрическими зарядами, следует принцип суперпозиции и для потенциалов: φ = φ ₁ + φ ₂ + φ ₃ + .

Таким образом, потенциал поля является энергетической характеристикой поля и характеризует потенциальную энергию, которой обладал бы положительный единичный заряд, помещенный в данную точку поля: φ = W / q .

Электрическое поле, электростатическая индукция, емкость и конденсаторы

Известно, что в пространстве, окружающем электрические заряды, действуют силы электрического поля. Многочисленные опыты над заряженными телами полностью подтверждают это. Пространство, окружающее любое заряженное тело, является электрическим полем, в котором действуют электрические силы.

Направление сил поля называют силовыми линиями электрического поля. Поэтому условно считают, что электрическое поле есть совокупность силовых линий.

Силовые линии поля обладают определенными свойствами:

• силовые линии выходят всегда из положительно заряженного тела, а входят в тело, заряженное отрицательно;
• они выходят во все стороны перпендикулярно поверхности заряженного тела и перпендикулярно входят в него;
• силовые линии двух одноименно заряженных тел как бы отталкиваются одна от другой, а разноименно заряженных — притягиваются.

Силовые линии электрического поля всегда разомкнуты, так как они обрываются на поверхности заряженных, тел. Электрически заряженные тела взаимодействуют друг с другом: разноименно заряженные притягиваются, а одноименно заряженные отталкиваются.

Электрически заряженные тела (частицы) с зарядами q1 и q2 взаимодействуют друг с другом с силой F, которая является векторной величиной и измеряется в ньютонах (Н). При разноименных зарядах тела притягиваются друг к другу, а при одноименных – отталкиваются.

Сила притяжения или отталкивания зависит от величины зарядов тел и от расстояния между ними.

Заряженные тела называются точечными, если их линейные размеры малы по сравнению с расстоянием r между телами. Величина силы их взаимодействия F зависит от величины зарядов q1 и q2, расстояния r между ними и среды, в которой находятся электрические заряды.

Если в пространстве между телами будет не воздух, а какой-нибудь другой диэлектрик, т. е. непроводник электричества, то сила взаимодействия между телами уменьшится.

Величина, характеризующая свойства диэлектрика и показывающая, во сколько раз сила взаимодействия между зарядами увеличится, если данный диэлектрик заменить воздухом, называется относительной диэлектрической проницаемостью данного диэлектрика.

Диэлектрическая проницаемость равна: для воздуха и газов — 1; для эбонита — 2 — 4; для слюды 5 — 8; для масла 2 — 5; для бумаги 2 — 2,5; для парафина — 2 — 2,6.

Электростатическое поле двух заряженных тел: а — тала заряжены одноименно, б — тела заряжены разноименно

Если проводящему телу А шарообразной формы, изолированному от окружающих предметов, сообщить отрицательный электрический заряд, т. е. создать в нем избыток электронов, то этот заряд равномерно распределится по поверхности тела. Так происходит потому, что электроны, отталкиваясь один от другого, стремятся выйти на поверхность тела.

Поместим незаряженное тело Б, также изолированное от окружающих предметов, в поле тела А. Тогда на поверхности тела Б появятся электрические заряды, причем на стороне, обращенной к телу А, образуется заряд, противоположный заряду тела А (положительный), а на другой стороне — заряд, одноименный с зарядом тела А (отрицательный). Электрические заряды, распределяясь таким образом, остаются на поверхности тела Б до тех пор, пока оно находится в поле тела А. Если тело Б вынести из поля или удалить тело А, то электрический заряд на поверхности тела Б нейтрализуется. Такой способ электризации на расстоянии называется электростатической индукцией или электризацией посредством влияния .

Явление электростатической индукции

Очевидно, что такое наэлектризованное состояние тела является вынужденным и поддерживается исключительно действием сил электрического поля, созданного телом А.

Если проделать то же самое, когда тело А будет заряжено положительно, то свободные электроны с руки человека устремятся к телу Б, нейтрализуют его положительный заряд, и тело Б окажется заряженным отрицательно.

Чем выше будет степень электризации тела А, т. е. чем выше его потенциал, тем до большего потенциала можно наэлектризовать посредством электростатической индукции тело Б.

Таким образом, мы пришли к выводу, что явление электростатической индукции дает возможность при определенных условиях накапливать электричество на поверхности проводящих тел.

Каждое тело можно зарядить до известного предела, т. е. до определенного потенциала; повышение потенциала сверх предельного влечет за собой разряд тела в окружающую атмосферу. Для разных тел необходимо различное количество электричества, чтобы довести их до одного и того же потенциала. Иначе говоря, различные тела вмещают различное количество электричества, т. е. обладают разной электрической емкостью (или просто емкостью).

Электрической емкостью называется способность тела вмещать в себе определенное количество электричества, повышая при этом свой потенциал до определенной величины. Чем больше поверхность тела, тем больший электрический заряд может вместить в себя это тело.

Если тело имеет форму шара, то емкость его находится в прямой зависимости от радиуса шара. Емкость измеряют фарадами.

Фарада — емкость такого тела, которое, получив заряд электричества в один кулон, повышает свой потенциал на один вольт . 1 фарада = 1 000 000 микрофарад.

Электрическая емкость , т. е. свойство проводящих тел накапливать в себе электрический заряд, широко используется в электротехнике. На этом свойстве основано устройство электрических конденсаторов.

Конденсатор состоит из двух металлических пластин (обкладок), изолированных одна от другой прослойкой воздуха или каким-либо другим диэлектриком (слюдой, бумагой и т. д.).

Если одной из пластин сообщить положительный заряд, а другой — отрицательный, т. е. противоположно зарядить их, то заряды пластин, взаимно притягиваясь, будут удерживаться на пластинах. Это позволяет сосредоточить на пластинах гораздо большее количество электричества, чем если бы заряжать их в удалении одна от другой.

Следовательно, конденсатор может служить устройством, запасающим на своих обкладках значительное количество электричества. Иначе говоря, конденсатор— это накопитель электрической энергии .

Емкость конденсатора равна:

где С — емкость; е — диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S — площадь одной пластины в см2 , п —постоянное число (пи), равное 3,14; l — расстояние между пластинами в см.

Из этой формулы видно, что с увеличением площади пластин емкость конденсатора увеличивается, а с увеличением расстояния между ними уменьшается.

Поясним эту зависимость. Чем больше площадь пластин, тем большее количество электричества они способны вместить, а следовательно, и емкость конденсатора будет большей.

При уменьшении расстояния между пластинами возрастает взаимное влияние (индукция) между их зарядами, что позволяет сосредоточить на пластинах большее количество электричества, а следовательно, увеличить емкость конденсатора.

Таким образом, если мы хотим получить конденсатор большой емкости, мы должны брать пластины большой площади и изолировать их между собой тонким слоем диэлектрика.

Формула показывает также, что с увеличением диэлектрической проницаемости диэлектрика емкость конденсатора увеличивается.

Следовательно, конденсаторы, равные по своим геометрическим размерам, но содержащие в себе различные диэлектрики, имеют различную емкость.

Если, например, взять конденсатор с воздушным диэлектриком, диэлектрическая проницаемость которого равна единице, и поместить между его пластинами слюду с диэлектрической проницаемостью 5, то емкость конденсатора возрастет в 5 раз.

Вот почему для получения больших емкостей в качестве диэлектриков используют такие материалы, как слюда, бумага, пропитанная парафином, и др., диэлектрическая проницаемость которых значительно больше, чем у воздуха.

В соответствии с этим различают следующие типы конденсаторов: воздушные, с твердым диэлектриком и с жидким диэлектриком.

Заряд и разряд конденсатора. Ток смещения

Включим конденсатор постоянной емкости в цепь. При установке переключателя на контакт а конденсатор будет включен в цепь батареи. Стрелка миллиамперметра в момент включения конденсатора в цепь отклонится и затем станет на нуль.

Конденсатор в цепи постоянного тока

Следовательно, по цепи прошел электрический ток в определенном направлении. Если теперь переключатель поставить на контакт б (т. е. замкнуть обкладки), то стрелка миллиамперметра отклонится в другую сторону и опять станет на нуль. Следовательно, по цепи также прошел ток, но уже другого направления. Разберем это явление.

Когда конденсатор был подключен к батарее, он заряжался, т. е. его обкладки получали одна положительный, а другая отрицательный заряды. Заряд продолжался до тех пор, пока разность потенциалов между обкладками конденсатора не сравнялась с напряжением батареи. Миллиамперметр, включенный последовательно в цепь, показал ток заряда конденсатора, который прекратился, как только зарядился конденсатор.

Когда же конденсатор отключили от батареи, он остался заряженным, и разность потенциалов между его обкладками была равна напряжению батареи.

Однако, как только замкнули конденсатор, он начал разряжаться, и по цепи пошел ток разряда, но уже в направлении, обратном току заряда. Это продолжалось до тех пор, пока не исчезла разность потенциалов между обкладками, т. е. пока конденсатор не разрядился.

Следовательно, если конденсатор включить в цепь постоянного тока, то в цепи пойдет ток только в момент заряда конденсатора, а в дальнейшем тока в цепи не будет, так как цепь будет разорвана диэлектриком конденсатора.

Поэтому говорят, что «конденсатор не пропускает постоянного тока».

Количество электричества (Q), которое можно сосредоточить на пластинах конденсатора, его емкость (С) и величина подводимого к конденсатору напряжения (U) связаны следующей зависимостью: Q = CU.

Эта формула показывает, что чем больше емкость конденсатора, тем большее количество электричества можно сосредоточить на нем, не повышая сильно напряжения на его обкладках.

Повышение напряжения при неизменной емкости также приводит к увеличению запасаемого конденсатором количества электричества. Однако если к обкладкам конденсатора подвести большое напряжение, то конденсатор может быть «пробит», т. е. под действием этого напряжения диэлектрик в каком-то месте разрушится и пропустит через себя ток. Конденсатор при этом прекратит свое действие. Чтобы избежать порчи конденсаторов, на них указывают величину допустимого рабочего напряжения.

Явление поляризации диэлектрика

Разберем теперь, что происходит в диэлектрике при заряде и разряде конденсатора и почему от диэлектрической проницаемости диэлектрика зависит величина емкости?

Ответ на этот вопрос дает нам электронная теория строения вещества.

В диэлектрике, как во всяком изоляторе, нет свободных электронов. В атомах диэлектрика электроны прочно связаны с ядром, поэтому напряжение, приложенное к пластинам конденсатора, не вызывает в его диэлектрике направленного движения электронов, т. е. электрического тока, как это бывает в проводниках.

Однако под действием сил электрического поля, созданного заряженными пластинами, электроны, вращающиеся вокруг ядра атома, смещаются в сторону положительно заряженной пластины конденсатора. Атом при этом как бы вытягивается по направлению силовых линий поля. Такое состояние атомов диэлектрика называют поляризованным, а само явление — поляризацией диэлектрика.

При разряде конденсатора поляризованное состояние диэлектрика нарушается, т. е. пропадает вызванное поляризацией смещение электронов относительно ядра, и атомы приходят в свое обычное неполяризованное состояние. Установлено, что присутствие диэлектрика ослабляет поле между пластинами конденсатора.

Различные диэлектрики под действием одного и того же электрического поля поляризуются в различной степени. Чем легче поляризуется диэлектрик, тем он больше ослабляет поле. Поляризация воздуха, например, приводит к меньшему ослаблению поля, чем поляризация любого другого диэлектрика.

Но ослабление поля между пластинами конденсатора позволяет сосредоточить на них большее количество электричества Q при одном и том же напряжении U, что в свою очередь, приводит к увеличению емкости конденсатора, так как С= Q / U.

Итак, мы пришли к выводу — чем больше диэлектрическая проницаемость диэлектрика, тем большей емкостью обладает конденсатор, содержащий в своем составе этот диэлектрик.

Смещение электронов в атомах диэлектрика, происходящее, как мы уже говорили, под действием сил электрического поля, образует в диэлектрике, в первый момент действия поля, электрический ток, называемый током смещения . Так он назван потому, что в отличие от тока проводимости в металлических проводниках, ток смещения образуется лишь смещением электронов, передвигающихся в пределах своих атомов.

Наличие этого тока смещения приводит к тому, что конденсатор, подключенный к источнику переменного тока, становится его проводником.

Основные характеристики электрического поля и основные электрические характеристики сред (основные термины и определения)

Напряженность электрического поля

Векторная величина, характеризующая силовое действие электрического поля на электрически заряженные тела и частицы, равная пределу отношения силы, с которой электрическое поле действует на неподвижное точечное заряженное тело, внесенное в рассматриваемую точку поля, к заряду этого тела, когда этот заряд стремится к нулю, и направление которой принимается совпадающим с направлением силы, действующей на положительно заряженное точечное тело.

Линия напряженности электрического поля

Линия, в каждой точке которой касательная к ней совпадает с направлением вектора напряженности электрического поля.

Электрическая поляризация

Состояние вещества, характеризуемое тем, что электрический момент данного объема этого вещества имеет значение, отличное от нуля.

Электропроводность

Свойство вещества проводить под действием не изменяющегося во времени электрического поля не изменяющийся во времени электрический ток.

Вещество, основным электрическим свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле и в котором возможно длительное существование электростатического поля.

Проводящее вещество

Вещество, основным электрическим свойством которого является электропроводность.

Тело из проводящего вещества.

Полупроводящее вещество (полупроводник)

Вещество, которое является, по своей электропроводности, промежуточным между проводящим веществом и диэлектриком и отличительными свойствами которого являются: резко выраженная зависимость его электропроводности от температуры; изменение его электропроводности при воздействиях электрического поля, света и других внешних факторов; существенная зависимость его электропроводности от количества и природы введенных примесей, дающая возможность усиления и выпрямления электрического тока, а также преобразования некоторых видов энергии в электрическую энергию.

Поляризованность (интенсивность поляризации)

Векторная величина, характеризующая степень электрической поляризации диэлектрика, равная пределу отношения электрического момента некоторого объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремится к нулю.

Электрическая постоянная

Скалярная величина, характеризующая электрическое поле в пустоте, равная отношению суммарного электрического заряда, заключенного внутри некоторой замкнутой поверхности, к потоку вектора напряженности электрического поля сквозь эту поверхность в пустоте.

Абсолютная диэлектрическая восприимчивость

Скалярная величина, характеризующая свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом столе, равная отношению величины поляризованности к величине напряженности электрического поля.

Диэлектрическая восприимчивость

Отношение абсолютной диэлектрической восприимчивости в рассматриваемой точке диэлектрика к электрической постоянной.

Электрическое смещение

Векторная величина, равная геометрической сумме напряженности электрического поля в рассматриваемой точке, умноженной на электрическую постоянную, и поляризованности в той же точке.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость

Скалярная величина, характеризующая электрические свойства диэлектрика и равная отношению величины электрического смещения к величине напряженности электрического поля.

Диэлектрическая проницаемость

Отношение абсолютной диэлектрической проницаемости в рассматриваемой точке диэлектрика к электрической постоянной.

Линия электрического смещения

Линия, в каждой точке которой касательная к ней совпадает с направлением вектора электрического смещения.

Электростатическая индукция

Явление наведения электрических зарядов на проводящем теле под действием внешнего электростатического поля.

Стационарное электрическое поле

Электрическое поле не изменяющихся во времени электрических токов при условии неподвижности проводников с токами.

Потенциальное электрическое поле

Электрическое поле, в котором ротор вектора напряженности электрического поля всюду равен нулю.

Вихревое электрическое поле

Электрическое поле, в котором ротор вектора напряженности не везде равен нулю.

Разность электрических потенциалов двух точек

Скалярная величина, характеризующая потенциальное электрическое поле, равная пределу отношения работы сил этого поля, при переносе положительно заряженного точечного тела из одной данной точки поля в другую, к заряду этого тела, когда заряд тела стремится к нулю (иначе: равная линейному интегралу напряженности электрического поля от одной данной точки до другой).

Электрический потенциал в данной точке

Разность электрических потенциалов данной точки и другой, определенной, но произвольно выбранной точки.

Электрическая емкость уединенного проводника

Скалярная величина, характеризующая способность проводника накапливать электрический заряд, равная отношению заряда проводника к его потенциалу в предположении, что все другие проводники бесконечно удалены и что потенциал бесконечно удаленной точки принят равным нулю.

Электрическая емкость между двумя уединенными проводниками

Скалярная величина, равная абсолютному значению отношения электрического заряда одного проводника к разности электрических потенциалов двух проводников, при условии, что эти проводники имеют одинаковые по величине, но противоположные по знаку заряды и что все другие проводники бесконечно удалены.

Конденсатор

Система из двух разделенных диэлектриком проводников (обкладок), предназначенная для использования емкости между этими двумя проводниками.

Емкость конденсатора

Абсолютное значение отношения электрического заряда одной из обкладок конденсатора к разности потенциалов между ними при условии, что обкладки имеют одинаковые по величине к противоположные по знаку заряды.

Емкость между двумя проводниками, входящими в систему проводников (частичная емкость)

Абсолютное значение отношения электрического заряда одного из проводников, входящего в систему проводников, к разности потенциалов между ним и другим проводником, если все проводники, кроме последнего, имеют один и тот же потенциал; если в рассматриваемую систему проводников входит земля, то ее потенциал принимается равным нулю.

Стороннее электрическое поле

Поле, обусловленное тепловыми процессами, химическими реакциями, контактными явлениями, механическими силами и другими неэлектромагнитными (при макроскопическом рассмотрении) процессами; характеризуется силовым воздействием на заряженные частицы и тела, находящиеся в области, где это поле существует.

Индуктированное электрическое поле

Электрическое поле, возбуждаемое изменением во времени магнитного поля.

Электродвижущая сила Э. д. с.

Скалярная величина, характеризующая способность стороннего и индуктированного электрических полей вызывать электрический ток, равная линейному интегралу напряженности сторон- него и индуктированного электрических полей между двумя точками вдоль рассматриваемого пути, или вдоль рассматриваемого замкнутого контура.

Электрическое напряжение

Скалярная величина, равная линейному интегралу напряженности результирующего электрического поля (электростатического, стационарного, стороннего, индуктированного) между двумя точками вдоль рассматриваемого пути.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: