Электротехника Лекции. Закон Кулона напряженность электрического поля
 Скачать 39.64 Mb.
|
|
Смешанное соединение конденсаторов. На рис.27в показано смешанное соединение конденсаторов. В такой цепи часть конденсаторов соединена между собой последовательно, часть – параллельно. Величина заряда, накапливаемого на обкладках каждого конденсатора, зависит не только от емкости, но и от характера соединения конденсатора в цепи. Полную емкость такой цепи находят путем постепенного преобразования цепи к одному виду соединения: последовательному или параллельному. 5. ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ КОНДЕНСАТОРА При подключении конденсатора к источнику постоянного напряжения (рис.28) происходит зарядка конденсатора. На обкладках накапливаются электрические заряды, которые создают в его диэлектрике электрическое поле. При этом в цепи протекает ток . Рис.28 Этот процесс связан с расходом энергии источника. На рис. 28 показана схема подключения конденсатора с идеальным диэлектриком и резистора к источнику питания. . Уравнение электрического состояния схемы при зарядке конденсатора имеет вид: (3-19) Чтобы перейти к выражению для энергии, умножим правую и левую части равенства на : (3-20) Выражение представляет собой энергетический баланс цепи, так как Uidt – энергия выделенная источником в цепь за время dt; ucidt – часть энергии источника, затраченная на зарядку конденсатора, т.е. на накопление электрических зарядов, следовательно, на создание электрического поля; i2rdt – часть энергии источника, затраченная на нагревание резистора (тепловая энергия цепи). При зарядке конденсатора до напряжения U источник расходует энергию (3-21) Подставив в это выражение значение тока, получим Проинтегрируем это выражение: W = . (3-22) В то же время энергия поля конденсатора Подставив в данное выражение значение тока, определим dt Проинтегрируем полученное выражение: (3-23) Сопоставление последних двух выражений позволяет сделать вывод : при полной зарядке конденсатора до напряжения источника на создание электрического поля расходуется половина энергии источника. Последнее выражение также показывает, что энергия электрического поля зависит от емкости конденсатора, напряжения, до которого он заряжается, и не зависит от времени зарядки конденсатора. Последнюю формулу можно преобразовать следующим образом: (3-24) Формула отражает связь энергии электрического поля с параметрами электрической цепи. 6. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКА В нормальных условиях, т.е. пока напряженность электрического поля не превышает допустимых значений, свойства диэлектрика практически не изменяются, и диэлектрик является изолятором. Предельное значение напряженности электрического поля, при котором диэлектрик сохраняет свои диэлектрические свойства называют допустимой напряженностью Напряженность, при которой происходит нарушение изоляционных свойств диэлектрика (пробой) называют пробивной – Пробивная напряженность характеризует электрическую прочность диэлектрика (табл.5). Напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называют пробивным напряжением , которое определяется соотношением (3-25) где d – толщина диэлектрика. Таблица 5 Электрическая прочность зависит от температуры, влажности и толщины слоя диэлектрика. Пробой диэлектрика может быть тепловым или электрическим. Тепловой пробой происходит при значительном повышении температуры. В каждом диэлектрике за счет неоднородности его состава имеются микро или макроскопические каналы с повышенной электропроводностью, в которых реализуются токи с повышенной плотностью. Нагревание диэлектрика вызывает уменьшение его сопротивления, т.к. температурный коэффициент диэлектриков отрицателен ( у металлов этот коэффициент положителен). Это вызывает дальнейшее нарастание тока в канале. Процесс повышения температуры и дальнейшего возрастания тока утечки может продолжаться до теплового разрушения диэлектрика – обугливания, растрескивания, расплавления с возникновением электрической дуги. Электрический пробой происходит при значительном повышении напряжения электрического поля, превышающей допустимое значение для данного диэлектрика. Под действием сил поля ионы приобретают большие скорости и, сталкиваясь с молекулами диэлектрика, ионизируют их. В результате происходит лавинообразное возрастание электрического тока, разрушающего изоляцию 7. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ. ИЗОЛЯЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ. Диэлектриками или изоляторами называют вещества, в которых почти все электроны удерживаются на своих орбитах ядром атома. Таким образом, у диэлектрика нет свободных электронов и они не пропускают электрический ток. Диэлектрики, по агрегатному состоянию, подразделяются на твердые, жидкие и газообразные. Твердые диэлектрики.Твердыми неорганическим диэлектриками являются различные керамики, стекло, слюда, кварц, асбест. Волокнистые электроизоляционные материалы изготавливают из волокон различных веществ – органических (растительных и синтетических ) и неорганических (стекло, асбест). Для электроизоляции монтажных и обмоточных проводов, кабелей, электрических машин и аппаратов применяют пряжу, ткани, бумагу, картон с последующей пропиткой специальными пропиточными составами. Волокнистые материалы являются основой при производстве различных видов электроизоляционных материалов (лакотканей, слоистых пластиков, гибких трубок и т.д.). Пропиточные, заливочные, покровные материалы содержат в основе естественные и синтетические высокомолекулярные вещества, в числе которых смолы, битумы воски. Особенность этих материалов состоит в том, что после нанесения их на изолирующую поверхность образуется тонкая гибкая твердая пленка с хорошими электроизоляционными свойствами. Слоистые материалы изготавливают прессованием с различными связующими бумаги (гетинакс, асбогетинакс), тканей (текстолиты), древесного шпона. Слоистые материалы выпускают в виде листов, цилиндров, трубок, обладающих значительной механической прочностью. Их применяют в качестве электроизоляционных и конструкционных материалов для изготовления оснований печатных плат, каркасов, различных прокладок и других деталей. Пластмассы изготавливают в основном из синтетических полимеров с всевозможными наполнителями и без наполнителей. Из пластмасс методами прессования или литья изготавливают различные фасонные детали и узлы, требующие сочетания хороших электрических , механических и других эксплутационных свойств. Часто пластмассы используются для изготовления низковольтной аппаратуры (штепсельные разъемы, патроны для электроламп, вики, розетки и т.д.). Электроизоляционные пленки изготавливают из некоторых синтетических полимеров и эфиров целлюлозы. Применяют в качестве основного диэлектрика при изготовлении конденсаторов, изоляции обмоток электрических машин, проводов и кабелей. Резина – материал, получаемый из натурально или синтетического каучука методам вулканизации. Резины обладают высокой эластичностью и гибкостью. Применяются в качестве электризоляции проводов и кабелей, для изготовления гибких трубок, уплотняющих прокладок. Слюда – материал, который применяется в качестве диэлектрика конденсаторов, межэлектродной изоляции. Слюдяные материалы имеют также высокую теплостойкость. Керамические материалы используют для изготовления электроизоляционных деталей ( электроизоляторы ЛЭП, каркасы катушек, ламповые панели и др.), которые изготавливают путем формовки и последующего отжига. Стекло применяют для изготовления колб электрических лампочек освещения, электровакуумных приборов (кинескопы ). Сегнетоэлектрики и электреты составляют отдельную группу твердых диэлектриков. Для этого класса диэлектриков характерен доменный тип поляризации, отличающийся тем, что в диэлектрике до наложения внешнего электрического поля имеются не отдельные полярные молекулы, а целые самопроизвольно поляризованные области (домены). Под действием внешнего электрического поля домены ориентируются так, что в диэлектрике создается большой поляризованный заряд и большой электрический момент. Следовательно, такие материалы имеют очень большую диэлектрическую проницаемость. Причем диэлектрическая проницаемость имеет нелинейную зависимость от напряженности электрического поля, а после выключения (снятия) внешнего поля в сегнетоэлектрике поляризационный заряд не равен нулю, а наблюдается некоторая остаточная поляризация. Диэлектрики, длительно сохраняющие значительную остаточную поляризацию, называются электретами. Твердые органические диэлектрики – смолы, лаки, пластмассы, каучуки, волокна. Жидкие диэлектрики. К жидким диэлектрикам относятся нефтяные масла, кремнийорганические и фторорганические жидкости. Так, в маслонаполненном трансформаторе масло, выполняет роль, как электроизоляции, так и является хорошей теплоотводящей средой. В масляном высоковольтном выключателе масло играет активную роль в гашении электрической дуги. Масло хорошо пропитывает твердые волокнистые материалы (бумагу, ткани, пряжу и т.д.), заполняет пространство между конструктивными элементами, что значительно улучшает электрическую изоляцию тех или иных устройств. Газообразные диэлектрики. Из газообразных диэлектриков чаще всего используется воздух, который ввиду повсеместного распространения является частью системы электрической изоляции подавляющего большинства электро- и радиотехнических устройств. Кроме воздуха в качестве электроизоляции применяют инертные газы ( неон, аргон, криптон), водород, Азот, Углекислый газ и др. Практически для всех диэлектриков характерно очень большое удельное электрическое сопротивление – ρ=108 – 1020 Ом м. Таблица 6 Контрольные вопросы
Г л а в а 4 МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. 1. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В НЕФЕРРОМАГНИТНОЙ СРЕДЕ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Магнитное поле – одна из двух сторон электромагнитного поля. Установлено, что вокруг проводника с током всегда существует магнитное поле, т.е. существование магнитного поля всегда указывает на наличие электрического тока. Изображается магнитное поле с помощью силовых линий Рис.31 Рис.32 На рис.31а показаны направления силовых линий магнитного поля вокруг проводника с током. Видно, что они имеют форму концентрических колец, расположенных вокруг проводника в плоскости, перпендикулярной проводнику. Магнитное поле в данной точке действует по касательной к магнитной силовой линии (точка А,В,С, рис. 31б). Направление действия поля можно определять по правилу буравчика – если направление поступательного движения совпадает с направлением движения тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика укажет направление магнитного поля. Вокруг катушки (рис.32) длиной , имеющей N витков , по которой проходит ток I, образуется магнитное поле. Внутри катушки силовые линии параллельны друг другу и такое магнитное поле является однородным. Магнитное поле обладает следующими свойствами –
2. НАПРЯЖЕННОСТЬ И ИНДУКЦИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ Один и тот же проводник с током создает в пространстве, заполненном веществом, и в вакууме магнитные поля разной интенсивности. Поле в вакууме характеризуется вектором Н, который получил название напряженности магнитного поля. а б в Рис.33 В качестве примера определим напряженность магнитного поля в точке А (рис.33а), отстоящей от центра прямолинейного проводника с током I на расстоянии х, большем радиуса r0. Магнитная силовая линия, проходящая через точку А, есть окружность радиуса х. Длина этой окружности равна , а величина . Из этой формулы следует, что напряженность поля обратно пропорциональна расстоянию ( ) от выбранной точки до центра проводника. На рис.33б показан график изменения напряженности поля Н в зависимости от расстояния х. Напряженность поля внутри сечения проводника изменяется прямо пропорционально расстоянию от центра проводника, т.е. (где ) или . График изменения Н внутри и вокруг проводника с током показан на рис.34б,в. Из рисунка следует, что напряженность магнитного поля максимальна на поверхности проводника, т. е. при х=r0. Напряженность поля на осевой линии цилиндрической катушки при (l -длина и d- диаметр катушки, соответственно), (4-1) (n- число витков на единицу длины). Величина Н измеряется в А/м. 1 А/м = 4π 10-3 Э (Э-эрстед). Силовой характеристикой магнитного поля в какой-либо среде служит величина, называемая магнитной индукцией В. Величина В связана с напряженностью магнитного поля соотношением В = μоμ Н, (4-2) где μо=4π 10-7Гн/м - магнитная постоянная или магнитная проницаемость вакуума, μ – относительная магнитная проницаемость μ=μс/μ0. Измеряется величина В в теслах (1Тл=1вб/м2=104гс (гаусс)). Для катушки . (4-3) 3. МАГНИТНЫЙ ПОТОК. Число силовых линий, проходящих через поверхность S, называют магнитным потоком Ф (рис. 35). рис.35 Причем Ф = B S (4-4) и измеряется в веберах [1вб]=1В 1с = 108Мкс) (1Мкс=1максвелл). Магнитный поток зависит от тока в проводнике (катушке), формы проводника, среды, в которой образуется поток. Для цилиндрической катушки магнитный поток, пронизывающий один виток равен Ф=B S, а суммарный поток, пронизывающий однослойную катушку с количеством витков N Ф=B1 S1+ B2 S2 + B3 S3 + . . . . . . . + B nSn=Ф1+Ф2+Ф3 . . . . .+Фn=N B S, (4-5) т.к. Ф1=Ф2=Ф3= . . . =Фn. 4. ИНДУКТИВНОСТЬ. Индуктивность элемента электрической цепи равна отношению суммарного магнитного потока к току в проводнике (4-6) Так как ток всегда возбуждает магнитное поле, то любая электрическая цепь и любой ее элемент должны обладать индуктивностью. Только лишь в некоторых случаях влиянием индуктивности можно пренебречь. Измеряется индуктивность в СИ – генри (Гн). 1Гн = В с/A= Ом с. Индуктивность является параметром элемента цепи и не зависит от тока. Так для катушки (4-7) Этим подтверждается тот факт, что индуктивность катушки, находящейся в неферромагнитной среде (μ=1) и не имеющей ферромагнитного стержня, зависит только от конструктивных величин (N, S, ) и среды, в которой образуется магнитный поток, и является постоянной величиной, т.е. L=const. 5. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ. МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ Магнитное поле катушки определяется током и напряженность этого поля , а индукция поля . Т.е. индукция поля в вакууме пропорциональна величине тока. Если же магнитное поле создается в некой среде или веществе, то поле воздействует на вещество, а оно, в свою очередь, определенным образом изменяет магнитное поле. Вещество, находящееся во внешнем магнитном поле, намагничивается и в нем возникает добавочное внутреннее магнитное поле. Оно связано с движением электронов по внутриатомным орбитам, а также вокруг собственной оси. Движение электронов и ядер атомов можно рассматривать как элементарные круговые токи. Магнитные свойства элементарного кругового тока характеризуются магнитным моментом. При отсутствии внешнего магнитного поля элементарные токи внутри вещества ориентированы беспорядочно (хаотически) и , поэтому общий или суммарный магнитный момент равен нулю и в окружающем пространстве магнитное поле элементарных внутренних токов не обнаруживается. Влияние внешнего магнитного поля на элементарные токи в веществе состоит в том, что изменяется ориентация осей вращения заряженных частиц причем так, что их магнитные моменты оказываются направленными в одну сторону. (в сторону внешнего магнитного поля). Интенсивность и характер намагничивания у различных веществ в одинаковом внешнем магнитном поле значительно отличаются. Величину, характеризующую свойства среды и влияние среды на плотность магнитного поля, называют абсолютной магнитной проницаемостью или магнитной проницаемостью среды (μс). Это есть отношение = . Измеряется [μс]=Гн/м. Абсолютная магнитная проницаемость вакуума называется магнитной постоянной μо=4π 10-7 Гн/м. Отношение абсолютной магнитной проницаемости к магнитной постоянной называют относительной магнитной проницаемостью μc/μ0 = μ. Т.е. относительная магнитная проницаемость – это величина, показывающая, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость среды больше или меньше абсолютной проницаемости вакуума. μ - величина безразмерная , изменяющаяся в широких пределах. Эта величина положена в основу деления всех материалов и сред на три группы. Диамагнетики. У этих веществ μ < 1. К ним относятся - медь, серебро, цинк, ртуть, свинец, сера, хлор, вода и др. Например, у меди μCu = 0,999995. Эти вещества слабо взаимодействуют с магнитом. Парамагнетики. У этих веществ μ > 1. К ним относятся – алюминий, магний, олово, платина, марганец, кислород, воздух и др. У воздуха = 1,0000031. . Эти вещества также, как и диамагнетики, слабо взаимодействуют с магнитом. Для технических расчетов μ диамагнитных и парамагнитных тел принимается равной единице. Ферромагнетики. Это особая группа веществ, играющих громадную роль в электротехнике. У этих веществ μ >> 1. К ним относятся железо, сталь, чугун, никель, кобальт, гадолиний и сплавы металлов. Эти вещества сильно притягиваются к магниту. У этих веществ μ = 600- 10 000. У некоторых сплавов μ достигает рекордных значений до 100 000. Следует отметить, что μ для ферромагнитных материалов непостоянна и зависит от напряженности магнитного поля, вида материала и температуры. Большое значение µ в ферромагнетиках объясняется тем, что в них имеются области самопроизвольного намагничивания (домены), в пределах которых элементарные магнитные моменты направлены одинаково. Складываясь, они образуют общие магнитные моменты доменов. В отсутствие магнитного поля магнитные моменты доменов ориентированы хаотически и суммарный магнитный момент тела или вещества равен нулю. Под действием внешнего поля магнитные моменты доменов ориентируются в одну сторону и образуют общий магнитный момент тела, направленный в ту же сторону, что и внешнее магнитное поле. Эту важную особенность используют на практике, применяя ферромагнитные сердечники в катушках, что позволяет резко усилить магнитную индукцию и магнитный поток при тех же значениях токов и числа витков или, иначе говоря, сконцентрировать магнитное поле в относительно малом объеме. |