Как диэлектрик влияет на электрическое поле

Как диэлектрик влияет на электрическое поле

Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.

решение вопроса

Связанных вопросов не найдено

Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.

• Все категории
• экономические 43,679
• гуманитарные 33,657
• юридические 17,917
• школьный раздел 612,708
• разное 16,911

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

• Обратная связь
• Правила сайта

Как диэлектрик влияет на электрическое поле?

Если диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле, то происходит поляризация диэлектрика. При этом процессе молекулы диэлектрика ориентируются по внешнему электрическому полю. На противоположных поверхностях диполя появляются связанные заряды. Это приводит к тому, что в диэлектриках возникает свое электрическое поле, направленное против внешнего, и в сумме поле внутри диэлектрика будет меньше внешнего. Диэлектрическая проницаемость, о которой мы говорили раньше, характеризует способность диэлектрика к ослаблению внешнего поля.

Внесём полярный диэлектрик в электростатическое поле и посмотрим, что при этом произойдёт. В полярных диэлектриках поляризация происходит в результате переориентации диполей. Когда нет внешнего поля, диполи сориентированы хаотично и суммарное поле внутри вещества равно нулю. Во внешнем поле под действием кулоновских сил происходит поворот диполей. Воздействие внешнего электрического поля испытывают все молекулы диэлектрика. Это приводит к тому, что в диэлектрике возникает собственное электрическое поле. Электрическое поле внутри диэлектриков будет ослаблено по сравнению с внешним полем Е. Наряду с ориентирующим действием кулоновских сил, дипольные молекулы находятся под влиянием теплового движения. Тепловое движение стремится нарушить ориентацию диполей.

Когда неполярный диэлектрик помещают во внешнее электрическое поле, происходит перераспределение зарядов внутри молекул таким образом, что в целом в диэлектрике появляется собственное поле. В отличие от полярных диэлектриков, здесь нет влияния теплового движения на процесс поляризации.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА РАЗЛИЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТАКИЕ КАК ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Ланге Ф.Д., Поляков А.А.

В работе рассмотрены влияние электрического поля на проводники и диэлектрики . Особенности свойств проводников и диэлектриков под действием на них электрического поля. Сделаны выводы по работе

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Ланге Ф.Д., Поляков А.А.

Анализ влияния пространственного распределения заряда на электроадгезионные силы

Влияние диэлектрического барьера на распределение электрического поля в высоковольтной композитной изоляции электрических машин

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ

О новых подходах в описании стационарного электрического поля внутри диэлектрических сред и на границе их раздела

Определение границ области «сильной неоднородности» электрического поля в различных диэлектриках секции высоковольтного импульсного конденсатора

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

INVESTIGATION OF EFFECT OF ELECTRIC FIELD ON VARIOUS MATERIALS, SUCH AS CONDUCTORS & DIELECTRICS

The paper considers the effect of an electric field on conductors and dielectrics. Features of the properties of conductors and dielectrics under the action of an electric field on them. Conclusions on the work are made.

Текст научной работы на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА РАЗЛИЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТАКИЕ КАК ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ»

Смоленский филиал Национальный исследовательский университет «МЭИ» (г. Смоленск, Россия)

Смоленский филиал Национальный исследовательский университет «МЭИ» (г. Смоленск, Россия)

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА РАЗЛИЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТАКИЕ КАК ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ

Аннотация: в работе рассмотрены влияние электрического поля на проводники и диэлектрики. Особенности свойств проводников и диэлектриков под действием на них электрического поля. Сделаны выводы по работе.

Ключевые слова: электрическое поле, проводники, диэлектрики, влияние электрического поля.

Влияние электрического поля на проводники и диэлектрики является одной из важнейших тем в электротехнике. Рассмотрим, как электрическое поле влияет на различные материалы, такие как проводники и диэлектрики.

Проводники — это материалы, которые хорошо проводят электрический ток. При воздействии электрического поля, проводники могут изменять свои свойства, такие как сопротивление, проводимость и индуктивность. Например, при увеличении напряженности электрического поля в проводнике, его сопротивление может уменьшаться, что приводит к увеличению проводимости.

Это явление называется эффектом Холла. Кроме того, проводники также могут изменять свою форму и размер под действием электрического поля.

Диэлектрики — это материалы, которые плохо проводят электрический ток и являются изоляторами. При воздействии электрического поля на диэлектрик, он может изменять свои электрические свойства, например, емкость и диэлектрическую проницаемость. Это явление называется электрическим смещением. Кроме того, диэлектрики также могут изменять свои физические свойства под действием электрического поля, например, изменять свою температуру или форму.

При помещении проводника в электрическое поле он начинает испытывать действие сил со стороны электрического поля. Это приводит к тому, что проводник начинает перемещаться в направлении действия силы. Этот эффект называется действием электромагнитной силы на проводник.

Чтобы понять, как проводник реагирует на электрическое поле, рассмотрим несколько примеров.

Пример 1. Проводник в однородном электрическом поле.

Пусть проводник находится в однородном электрическом поле с напряженностью E. Тогда на проводник действует сила, равная F = qE, где q -заряд проводника.

Если проводник имеет форму тонкого стержня длиной l и площадью поперечного сечения S, то сила, действующая на него, будет равна:

где a — угол между направлением электрического поля и направлением, в котором перемещается проводник.

Так как угол a мал, то sin a ~ a. Тогда сила, действующая на проводник, будет: F ~ qESa.

Из закона Ньютона можно записать: qESa = mg,

где m — масса проводника.

Отсюда получаем: ma = qS.

Таким образом, масса проводника пропорциональна заряду, а коэффициент пропорциональности равен qS. Следовательно, проводник будет перемещаться под действием силы, пропорциональной его заряду и площади поперечного сечения.

Пример 2. Проводник в неоднородном электрическом поле

Пусть проводник движется под действием неоднородного электрического поля. Тогда на него будет действовать сила, пропорциональная заряду проводника и напряженности электрического поля:

где к — коэффициент пропорциональности.

Для определения коэффициента к необходимо рассмотреть случай, когда проводник движется по направлению силовых линий электрического поля. В этом случае сила, действующая на проводник со стороны поля, равна:

где F’ — сила, действующая со стороны поля на единицу длины проводника, q — заряд на единицу длины проводника.

Тогда коэффициент пропорциональности к’ равен: к’ = Б’^Е’.

Следовательно, для нахождения коэффициента к нужно знать значения F и q, а также напряженность электрического поля Е.

Кроме того, проводник может быть помещен в электрическое поле не только перпендикулярно, но и параллельно силовым линиям. В этом случае на проводник будут действовать две силы: сила, параллельная силовым линиям, и сила, перпендикулярная силовым линиям.

Сила, параллельная силовым линиям, пропорциональна заряду проводника:

Сила, перпендикулярная силовым линиям^’ = к^Е’.

Диэлектрики — это материалы, плохо проводящие электрический ток (например, воздух, стекло, керамика). При помещении диэлектрика в

электрическое поле, он начинает изменять свои электрические и физические свойства.

Диэлектрики широко используются в различных сферах, таких как:

• Электроника и электротехника — для создания конденсаторов, катушек индуктивности, трансформаторов и других компонентов электронных устройств.

• Энергетика — для изготовления изоляторов и диэлектрических материалов в электрических сетях.

• Медицина — для производства медицинских приборов, таких как кардиостимуляторы, дефибрилляторы.

• Авиация и космонавтика — для создания изоляционных материалов в электронике и электрооборудовании космических кораблей и самолетов.

• Бытовая техника — для производства бытовой техники, такой как микроволновые печи, холодильники и стиральные машины.

• Производство — для изготовления кабелей, проводов и других материалов, используемых в производстве.

Когда диэлектрик находится в однородном поле, на него действует сила со стороны поля. Эта сила может привести к изменению формы диэлектрика или его ориентации в пространстве.

Также диэлектрики могут изменять свою диэлектрическую проницаемость в зависимости от напряженности электрического поля. Диэлектрическая проницаемость — это мера способности материала проводить электрический ток. Чем выше диэлектрическая проницаемость, тем лучше материал проводит электрический ток.

В заключение, можно сказать, что влияние электрического поля на проводники и диэлектрики представляет собой сложную и интересную тему, которая продолжает привлекать внимание ученых и инженеров по всему миру, она играет важную роль в различных областях техники, таких как электроника, электротехника и энергетика. Знание этих явлений помогает создавать более

эффективные устройства, системы и технологии, что является важным аспектом развития науки и технологии, что способствует развитию науки и повышению надежности работы техники в целом.

1. Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Учеб. пособие : Для студентов всех фак. и направлений / под ред. Шахов А.А., Мамыкин А.И., Павловская М.В., 1999 г.

2. Физика диэлектриков. Учеб. пособие для ВУЗов, под ред. Поплавко Ю.М., 1980 г.

3. Электрическое поле — Википедия [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ (дата обращения: 26.05.23).

National Research University «MEI» (Smolensk, Russia)

National Research University «MEI» (Smolensk, Russia)

INVESTIGATION OF EFFECT OF ELECTRIC FIELD ON VARIOUS MATERIALS, SUCH AS CONDUCTORS & DIELECTRICS

Abstract: the paper considers the effect of an electric field on conductors and dielectrics. Features of the properties of conductors and dielectrics under the action of an electric field on them. Conclusions on the work are made.

Keywords: electric field, conductors, dielectrics, influence of electric field.

Диэлектрики

В большинстве конденсаторов между пластинами проложен изолирующий материал (диэлектрик), например, бумага или пластмассовая пленка. Этим достигается сразу несколько целей. Во-первых, диэлектрики лучше противостоят электрическому пробою, чем воздух, и к конденсатору можно приложить более высокое напряжение без утечки заряда через зазор между обкладками. Во-вторых, при наличии прокладки из диэлектрика пластины можно расположить ближе друг к другу без опасения, что они могут соприкасаться. Наконец, экспериментально обнаружено, что при заполнении пространства между пластинами диэлектриком его емкость увеличивается в К раз, т.е.

где С₀ — емкость, отвечающая вакууму между обкладками, а С — емкость в случае, когда пространство между пластинами заполнено диэлектриком. Множитель К называют относительной диэлектрической проницаемостью; значения К для ряда диэлектриков приведены в табл. 25.1.
Обратите внимание на то, что для воздуха при давлении 1 атм К = 1,0006, и поэтому емкость конденсатора с воздушным зазором очень мало отличается от емкости этого конденсатора в вакууме.

Для плоского конденсатора:

С = Кε₀ A/d — [плоский конденсатор] (25.8),

когда пространство между пластинами целиком заполнено диэлектриком с диэлектрической проницаемостью К. Величина Кε₀ так часто встречается в формулах, что нередко вводят величину

которую называют абсолютной диэлектрической проницаемостью. Тогда емкость плоского конденсатора принимает вид

Напомним, что ε₀ — это электрическая постоянная. Плотность энергии, запасенной электрическим полем Е

Влияние диэлектрика на емкость впервые всесторонне исследовал Фарадей. Он обнаружил, что, когда пространство между пластинами конденсатора заполнено диэлектриком, на пластинах при том же напряжении накапливается несколько больший заряд, нежели когда между пластинами воздух. Иначе говоря, если заряд на каждой пластине конденсатора с воздушным промежутком равен Q₀, то после введения диэлектрика и подключения конденсатора к батарее с прежним напряжением V₀ заряд каждой из пластин увеличится до

Q = KQ₀ [при постоянном напряжении] .

Это соответствует формуле (25.7), поскольку после введения диэлектрика емкость равна

где С₀ = Q₀/V₀ — емкость в отсутствие диэлектрика.

Рассмотрим теперь несколько иной случай (выше мы, вводя диэлектрик, поддерживали напряжение постоянным). Пусть пластины конденсатора, подключенного к батарее с напряжением V₀, приобретают заряд

Прежде чем ввести диэлектрик, отключим конденсатор от батареи. После введения диэлектрика (который заполняет все пространство между пластинами) заряд Q₀ на каждой из пластин не изменится. В этом случае мы обнаружим, что разность потенциалов между пластинами уменьшится в К раз:

Емкость же вновь будет равна

Оба этих результата согласуются с выражением (25.7).

Электрическое поле внутри диэлектрика также изменяется. При отсутствии диэлектрика между пластинами напряженность электрического поля между обкладками плоского конденсатора определяется формулой (24.3):

где V₀ — разность потенциалов между пластинами, a d — расстояние между ними.
Если конденсатор изолирован, так что заряд на пластинах после введения диэлектрика не изменяется, то разность потенциалов упадет до значения V = V₀/K. Напряженность электрического поля в диэлектрике теперь будет равна

E = V/d = V₀/Kd или Е = E₀/К [в диэлектрике]. (25.10)

Таким образом, напряженность электрического поля внутри диэлектрика также ослабляется в К раз. Электрическое поле внутри диэлектрика (изолятора) ослабляется, но, не до нуля, как в случае проводника.

Происходящее в диэлектрике можно объяснить с молекулярной точки зрения. Рассмотрим конденсатор, обкладки которого разделены воздушным «промежутком. На одной обкладке имеется заряд +Q, на другой заряд -Q (рис. 25.7, а).

Конденсатор изолирован (не подключен к батарее). Разность потенциалов между пластинами V₀ определяется выражением (25.1): Q = C₀V₀. (Индекс 0 соответствует воздуху между пластинами.) Введем теперь между пластинами диэлектрик (рис. 25.7, b). Молекулы диэлектрика могут быть полярными — иначе говоря, они могут обладать постоянным дипольным моментом, будучи нейтральными. В электрическом поле возникнет вращательный момент, который будет стремиться развернуть диполи параллельно полю (рис. 25.7, b); тепловое движение препятствует идеальной ориентации всех молекул, однако, чем сильнее поле, тем выше будет степень выстроенности молекул. Даже если молекулы не полярны, в электрическом поле между обкладками у них произойдет разделение заряда, и молекулы приобретут индуцированный (наведенный) дипольный момент: электроны, не отрываясь от молекулы, сместятся в сторону положительной обкладки. Поэтому картина всегда будет такой, как показано на рис. 25.7, b. В конечном итоге все выглядит так, как если бы на обращенной к положительной обкладке внешней стороне диэлектрика имелся результирующий отрицательный заряд, а на противоположной — положительный (рис. 25.7, c). Из-за появления на диэлектрике этого индуцированного заряда часть электрических силовых линий не пройдет сквозь диэлектрик, а будет заканчиваться (или начинаться) на зарядах, наведенных на его поверхности. Соответственно напряженность электрического поля внутри диэлектрика окажется меньше, чем в воздухе.

Можно представить себе эту картину и по-иному (рис. 25.7, d). Напряженность электрического поля внутри диэлектрика представляет собой векторную сумму напряженности поля Е₀, создаваемого «свободными» зарядами на обкладках, и напряженности поля Е_инд, создаваемого зарядами, индуцированными в диэлектрике; поскольку эти поля направлены в противоположные стороны, результирующая напряженность электрического поля внутри диэлектрика Е₀ — Е_инд будет меньше Е₀. Точное соотношение дается формулой (25.10):

Из соображений симметрии ясно, что, если размеры пластин велики по сравнению с расстоянием между ними, заряд, индуцированный на поверхности диэлектрика, не зависит от того, заполняет ли диэлектрик все пространство между пластинами или нет, если только его поверхности параллельны обкладкам. Формула (25.10) справедлива и в этом случае, хотя равенство V = V₀/K уже не верно (почему?). Электрическое поле между двумя параллельными пластинами связано с поверхностной плотностью заряда σ выражением

Таким образом, где σ = Q/A — поверхностная плотность заряда на обкладке, а Q — полный заряд проводника, называемый часто свободным зарядом (поскольку в проводнике заряды могут свободно перемещаться). Аналогично мы определим поверхностную плотность индуцированного заряда σ_инд

где E_инд — напряженность электрического поля, создаваемого индуцированным зарядом Q_инд = σ_индA на поверхности диэлектрика (рис. 25.7, г); Q_инд называют обычно связанным зарядом (так как в диэлектрике (изоляторе) заряды не могут свободно перемещаться). Поскольку, как показано выше, Е_инд = Е₀(1 — 1/К), получаем

Так как К больше 1, индуцированный на диэлектрике заряд всегда меньше заряда на обкладках конденсатора.

Продолжение следует. Коротко о следующей публикации: