Проводники и диэлектрики

• Федорова Ирина Владимировна, учитель физики

Разделы: Физика

---

Цели:

• Образовательная: формирование представления о проводниках и диэлектриках; обеспечение в ходе урока понимания учащимися отличия проводников от диэлектриков с точки зрения электронной теории; создать условия для формирования понятие о диэлектриках и их физической природе с точки зрения электронной теории.
• Развивающая: способствовать развитию познавательной активности, образного мышления; способствовать дальнейшему развитию умений выделять главное, сравнивать, анализировать, делать выводы.
• Воспитательная: воспитание чувства ответственности и готовности к сотрудничеству; приобретение навыков общения и самоорганизации; способствовать формированию научного мировоззрения.

Оборудование: персональный компьютер, мультимедийный проектор, экран, электрометр с набором тел, гильза на штативе, пластина из оргстекла, лист пластика калориметр.

Методы обучения: объяснительно-иллюстративный, практический.

Новая тема:

Опыт. Зарядим электроскоп эбонитовой палочкой и прикоснёмся к электроскопу поочередно деревянной палочкой, пластмассовой линейкой, а затем металлическим стержнем.

Вывод. Все вещества по проводимости бывают двух видов проводники и диэлектрики.

Давайте выясним откуда берутся заряды у проводников. Все металлы являются хорошими проводниками электрического тока. Рассмотрим строение натрия. У натрия 11е, которые распределены по трем энергетическим уровням. Последний электрон слабо притягивается к ядру. Следовательно атом может потерять электрон и становится положительным ионом.

Проводники состоят из положительных заряженных ионов. Которые участвуют в тепловом движении и свободных электронов, которые перемещаются по всему проводнику.

Опыт. Незаряженная гильза и эбонитовая палочка. Разряженную эбонитовою палочку поднесем к гильзе. Гильза притянется к эбонитовой палочке. Под действием электрического поля электроны в гильзе приходят в движение и собираются на левой стороне гильзы, а правая сторона заряжается положительно. В внутри гильзы возникает свое поле, направленное против внешнего , следовательно электроны прекращают движение. Eвн. = E соб.

Рассмотрим проводник в электростатическом поле.

Вывод:

— внутри проводника поля нет

— весь заряд сосредоточен на поверхности проводника

Историческая справка. Опыт Майкл Фарадей. Сообщение ученика.

Опыт. Электроскоп, эбонитовая палочка, калориметр.

Вывод: внутри проводника электростатического поля нет.

Рассмотрим диэлектрик на примере поваренной соли NaCl и убедимся , что у диэлектриков нет свободных электронов.

Хлор захватывает электроны у натрия следовательно натрий заряжается положительно , хлор отрицательно. Получается система из двух разноименных зарядов, связанных между собой.

Электрический диполь – совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположны по знаку.

Диэлектрики делятся на полярные и неполярные.

Полярные	Неполярные
Поваренная соль Спирт Вода	Инертные газы Бензол Полиэтилен

Рассмотрим диэлектрик в электростатическом поле.

На каждый диполь со стороны поля действует пара сил. Под действием этих сил положительные диполи смещаются в направлении электрического поля,а отрицательные в противоположную сторону.

Смещение положительных и отрицательных связанных зарядов диэлектрика в противоположные стороны называют поляризацией.

Диполи создают свое электрическое поле Eсоб. Направленное против E вн.

Тепловое движение препятствует созданию упорядоченной ориентации всех диполей.

Под действием поля происходит частичная ориентация диполей.

Вывод: Собственное поле диэлектрика ослабляет внутри диэлектрика внешнее электрическое поле.

Для того чтобы описать, как сильно ослабляет диэлектрик электрическое поле, вводят величину, которую называют диэлектрической проницаемостью.

Если обозначить

Е.- напряжённость электрического поля в вакууме;

Е — напряжённость электрического поля в диэлектрике;

— диэлектрическая проницаемость среды, то получим формулу

Подведение итогов урока

Домашнее задание: параграфы 95, 96, 97.

29. 05.2016

Проводники и диэлектрики в электростатическом поле

Как вы знаете из курса физики восьмого класса, все тела можно классифицировать, в соответствии с их способностью проводить электрический ток. Тело может являться проводником, полупроводником или диэлектриком.

Проводниками называют тела, проводящие электричество, а диэлектриками называют тела, не проводящие электричество.

Полупроводники — это тела, которые меняют свои свойства проводимости в зависимости от внешних условий. Но о полупроводниках мы поговорим позже, а сегодня мы рассмотрим проводники и диэлектрики. Рассмотрим, что происходит с проводником, помещенным в электростатическое поле. Конечно, к проводникам, в первую очередь, относятся металлы, в которых существуют, так называемые, свободные заряды. Свободные заряды — это электрические заряды, способные перемещаться внутри проводника.

Как вы знаете, в металлах наблюдается металлическая связь. Нейтральные атомы металла начинают взаимодействовать друг с другом, в результате чего, некоторые электроны отрываются от атомов и становятся свободными. Эти электроны начинают участвовать в тепловом движении и могут перемещаться по всему проводнику в случайных направлениях. Иными словами, свободные электроны в проводнике ведут себя подобно молекулам газа. Поскольку все атомы изначально электрически нейтральны, если они теряют электрон, они становятся положительно заряженными ионами.

Таким образом, в проводниках наблюдается следующая картина: положительно заряженные ионы оказываются окружены так называемым электронным газом. Конечно, не надо думать, что электроны образуют какой-то реальный газ. Просто их движение очень напоминает хаотическое движение молекул газа.

Рассмотрим случай, когда металлический проводник находится в однородном электростатическом поле.

Как вы знаете, под действием электрического поля свободные электроны приходят в упорядоченное движение (то есть, в проводнике возникает электрический ток).

В результате одна сторона проводника заряжается отрицательно, а другая — положительно. Это явление называется электростатической индукцией. То есть электростатическая индукция — это явление наведения собственного электростатического поля под воздействием внешнего электрического поля.

Итак, из-за электростатической индукции, возникает другое электростатическое поле, создаваемое появившимися зарядами. По принципу суперпозиции полей, это поле накладывается на внешнее поле и компенсирует его. Из этого мы можем сделать очень важный вывод: напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю:

Этот факт используется для создания электростатической защиты: чувствительные к электрическому полю приборы, помещаются в металлические ящики. В настоящее время даже некоторые виды спецодежды включают в себя современные электропроводящие материалы, которые создают внутри костюма замкнутое пространство, защищенное от воздействия электрических полей.

Впервые, эксперимент, подтверждающий отсутствие электростатического поля внутри проводника, провел Майкл Фарадей еще в 1836 году. По его указанию большую деревянную клетку оклеили листами оловянной фольги (которая является проводником). Предварительно клетку изолировали от земли и сильно зарядили ее (так что при приближении к ней тел, с ее поверхности вылетали искры).

Тем не менее, сам Фарадей совершенно спокойно находился внутри данной клетки. Более того, в его руках был исправный электроскоп, который показывал полное отсутствие электрического поля. Впоследствии, подобные конструкции получили название «клетка Фарадея».

Необходимо отметить еще один важный факт: вблизи поверхности (вне проводника) линии напряженности электростатического поля перпендикулярны этой поверхности.

Если бы это было не так, и какая-то линия напряженности была бы не перпендикулярна поверхности, то это привело бы к движению свободных зарядов. Такое движение продолжается до тех пор, пока все силовые линии не станут перпендикулярны поверхности проводника. Надо сказать, что весь статический заряд любого проводника находится на поверхности этого проводника. В этом легко убедиться, поскольку мы уже выяснили, что напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю. Следовательно, внутри проводника никакого заряда нет, поскольку в противном случае, он создавал бы отличную от нуля напряженность.

Теперь давайте поговорим о диэлектриках. Диэлектрики в электростатическом поле ведут себя иначе, чем проводники. Диэлектрики, наоборот, не проводят ток, но внутри них может существовать электрическое поле.

Дело в том, что в диэлектриках не возникают свободные заряды, поскольку между ядрами атомов и электронами существует довольно сильная связь. Приведем два классических примера распределения электрического заряда. Как вы знаете, ядро водорода состоит из одного протона, а вокруг этого протона вращается один электрон. В целом, атом электрически нейтрален. Электрон вращается вокруг протона с очень большой скоростью: за одну секунду он делает порядка 10¹⁵ оборотов. Это говорит нам о том, что каждую микросекунду электрон оказывается в любой точке своей орбиты миллионы раз. Поэтому, смело можно считать, что в среднем по времени центр распределения отрицательного заряда находится в центре атома, то есть совпадает с положительно заряженным ядром.

Тем не менее, есть и другие случаи. Например, молекула поваренной соли состоит из атома натрия и атома хлора. Из курса химии вы знаете, что атом хлора имеет 7 валентных электронов, а у атома натрия всего один валентный электрон. Поэтому, в процессе образования молекулы, атом хлора захватывает электрон натрия, в результате чего образуется система из двух ионов. Теперь центр распределения отрицательного заряда приходится на ион хлора, а центр распределения положительного заряда приходится на ион натрия. Тем не менее, в целом молекула остается электрически нейтральна. Подобные системы называются электрическими диполями.

Электрический диполь

В связи с этим, разделяют два вида диэлектриков: неполярные и полярные. Неполярные диэлектрики — это диэлектрики, состоящие из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают.

И наоборот, полярными диэлектриками называются диэлектрики, состоящие из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

О поляризации диэлектриков мы поговорим более подробно в одном из следующих уроков. А сейчас давайте рассмотрим величину, характеризующую свойство диэлектрической среды, которая называется диэлектрической проницаемостью. Эта величина показывает, во сколько раз кулоновская сила взаимодействия между двумя точечными зарядами в данной среде меньше, чем кулоновская сила взаимодействия этих же зарядов в вакууме:

Таким образом, мы можем записать закон кулона для произвольной среды:

В формулу добавляется диэлектрическая проницаемость, то есть, характеристика среды. Диэлектрические проницаемости многих сред измерены и сведены в таблицы. Эти величины измерены экспериментально, например, с помощью измерения кулоновских сил тех же зарядов в различных средах.

Физика Электроскоп. Проводники и диэлектрики. Делимость электрических зарядов. Электрон

Материалы к уроку

Конспект урока

Простейший прибор для обнаружения электрических зарядов называется электроскоп. Давайте рассмотрим его внимательно.
Это металлический стержень, на одном конце которого находится металлический шарик, на другом – при помощи скобочки прикреплены два легких лепесточка папиросной бумаги. Стержень закрепляется в прозрачном корпусе металлического  кожуха, соблюдая изоляцию от металла. На нижнем конце стержня свободно висят бумажные лепесточки: зарядов никаких нет. При помощи электроскопа мы можем обнаружить электрические заряды, еще никак не измеряя их. Давайте проделаем некоторые опыты с электроскопом.
Проведем опыт 1. 
Поднесем  к металлическому шарику ( не касаясь) заряженную  эбонитовую палочку. Электрическое поле заставит отрицательные заряды  убежать на другой конец стержня. Лепесточки, зарядившись одноименными зарядами, оттолкнутся и разойдутся на некоторый угол. И мы «увидим» наличие  отрицательных зарядов на заряженной палочке по углу отклонения. Если угол маленький – заряд небольшой, если угол расхождения побольше, то и заряд больше. Когда мы уберем палочку, то заряды равномерно распределятся по всему объему проводника и лепесточки опадут: зарядов нет.
Опыт 2.
Теперь  поднесем (не касаясь) заряженную стеклянную палочку. Электрическим полем отрицательные заряды приблизятся к шарику, а на конце стержня будет ощущаться нехватка отрицательных зарядов. И одноименные положительные заряды, которые получили лепесточки, заставят их разойтись на некоторый угол. И мы вновь можем «увидеть» положительные заряды стеклянной палочки.
Если не касаться палочкой металлического шарика, то лепесточки расходятся на какой-то угол, пока мы палочку держим рядом. Как только мы уберем палочку, так лепесточки опадают, показывая, что на них нет зарядов.
Опыт 3.
Поднесем заряженную эбонитовую палочку и коснемся металлического шарика.  Отрицательные заряды, полученные шариком, отталкиваясь друг от друга, распределяться по всему металлическому стержню. Лепесточки получат одноименные отрицательные заряды и разойдутся на некоторый угол. Палочку мы убираем, а угол между лепесточками остается, потому что заряд отрицательный остался на стержне.
Разрядим электроскоп, коснувшись  рукой шарика. И перейдем к следующему опыту.
Опыт 4. 
Теперь поднесем заряженную стеклянную палочку и коснемся шарика. Положительный заряд будет передан  шарику. Палочку убираем  и видим, что лепесточки разошлись на некоторый угол. И этот угол остается некоторое время постоянным. Почему? А потому, что положительный заряд, полученный шариком, распределился по всему стержню (одноименные заряды отталкиваются). И лепесточки то же получают одноименные положительные заряды и расходятся на некоторый угол. Так как  заряд теперь находится на стержне, то угол расхождения некоторое время будет оставаться таким же. Однако, если мы будем наблюдать длительное время, то угол расхождения будет уменьшаться, потому что влажность воздуха и естественное излучение фона  способствует разрядке устройства ( во время опытов надо стремиться, чтобы все было сухое, в том числе и руки).
Опыт 5. 
продемонстрируем электрометр – прибор, который в отличие электроскопа, может дать количественное сравнение зарядов, потому что у него есть стрелка и нанесены деления. 
На приборе, поднося, а потом и касаясь металлического шарика (или сферы). если сообщаем заряд в два раза больше, то и угол отклонения увеличивается в два раза.
Опыт 6. 
Теперь берем два электрометра и ставим их рядом. Заряжаем один из электрометров, коснувшись заряженной эбонитовой (или стеклянной) палочкой. Затем соединяем первый электрометр со вторым деревянной линейкой, потом пластмассовой, потом стеклянной и говорим, что никакого изменения в отклонении стрелки нет 
Вывод: эти вещества не передают электрических зарядов ( ни отрицательных, ни положительных). Такие вещества называются непроводниками или изоляторами.
Опыт 7. 
Зарядим первый электрометр, коснувшись заряженной эбонитовой  
(или стеклянной) палочкой. Стрелка отклонится на некоторый угол. Теперь будем соединять первый электрометр со вторым металлическим проводником с пластмассовой изоляционной ручкой. Видим, что часть зарядов перешла с первого электрометра на второй. На первом электрометре стрелка  —  показывает уменьшение делений отклонения, а на втором — увеличение. 
Вывод: металлические стержни передают  электрические заряды (как отрицательные, так и положительные).Такие вещества называются проводниками.
Опыт 8.
Зарядим первый электроскоп, коснувшись заряженной эбонитовой палочкой. Надо повторить это несколько раз, добившись максимального отклонения. Пусть мы добились отклонения на 8 делений. Теперь соединим металлическим стержнем (держим за пластмассовую ручку). Отмечаем, что теперь часть зарядов перешла на второй электрометр.
Отмечаем, что на первом было 8 делений, теперь 4, на втором было 0, теперь – 4. Заряд разделился пополам.  Касаемся рукой второго электрометра. Через нас заряды уходят на землю. 
Повторяем опыт, соединяя первый со вторым. Отмечаем, что на первом было 4, теперь    2 , на втором было 0, теперь   2. Опять пополам разделились заряды.
Сделаем вывод: заряды можно делить!  До каких пор можно делить заряды?
Английский физик Томсон ответил: делить можно до самого маленького заряда. И самый маленький отрицательный заряд имеет электрон (Томсон это на опыте доказал). Заряд электрона = — 1,6*10-19Кл). Так была открыта первая элементарная частица, отвечающая за электрические явления. И масса  электрона была измерена. Она равнялась 9,1* 10-31 кг.

Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!

• Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам

• Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки

• Повысим успеваемость по школьным предметам

• Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать репетитора

виды и примеры веществ, свойства, применение диэлектриков

Чем отличаются диэлектрики от проводников и полупроводников

Теоретическую разницу между этими тремя видами материалов можно представить, и я это сделаю, на рисунке ниже:

Рисунок красивый, знакомый со школьной скамьи, но что-то практическое из него не особо вытянешь. Однако, в этом графическом шедевре четко определена разница между проводником, полупроводником и диэлектриком.

И отличие это в величине энергетического барьера между валентной зоной и зоной проводимости.

В проводниках электроны находятся в валентной зоне, но не все, так как валентная зона — это самая внешняя граница. Точно, это как с мигрантами. Зона проводимости пуста, но рада гостям, так как у неё полно для них свободных рабочих мест в виде свободных энергетических зон. При воздействии внешнего электрического поля, крайние электроны приобретают энергию и перемещаются в свободные уровни зоны проводимости. Это движение мы еще называем электрическим током.

В диэлектриках и проводниках всё аналогично, за исключением того, что имеется “забор” — запрещенная зона. Эта зона расположена между валентной и зоной проводимости. Чем больше эта зона, тем больше энергии требуется для преодоления электронами этого расстояния. У диэлектриков величина зоны больше, чем у полупроводников. Этому есть даже условие: если дЭ>3Эв (электронвольт) — то это диэлектрик, в обратном случае дЭ

Главными электрическими свойствами диэлектриков являются поляризация (смещение зарядов) и электропроводность (способность проводить электрический ток) Смещение связанных зарядов диэлектрика или их ориентация в электрическом поле называется поляризацией. Это свойство диэлектрических материалов характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε. При поляризации на поверхности диэлектрика образуются связанные электрические заряды.

В зависимости от типа диэлектрика поляризация может быть: электронной, ионной, дипольно-релаксационной, спонтанной. Более подробно про их свойства на инфографике ниже.

Под электропроводностью понимают способность диэлектрика проводить электрический ток. Ток, протекающий в диэлектрике называется током утечки. Ток утечки состоит из двух составляющих — тока абсорбционного и тока сквозного. Сквозные токи обусловлены наличием свободных зарядов в диэлектрике, абсорбционный ток — поляризационными процессами до момента установления равновесия в системе.

Величина электропроводности зависит от температуры, влажности и количества свободных носителей заряда.

При увеличении температуры электропроводность диэлектриков увеличивается, а сопротивление падает.

Зависимость от влажности вновь возвращает нас к классификации диэлектриков. Ведь, неполярные диэлектрики не смачиваются водой и на изменение влажности им нет дела. А у полярных диэлектриков при увеличении влажности повышается содержание ионов, и электропроводность увеличивается.

Проводимость диэлектрика состоит из поверхностной и объемной проводимостей. Известно понятие удельной объемной проводимости, обозначается буквой сигма σ. А обратная величина называется удельное объемной сопротивление и обозначается буквой ро ρ.

Резкое увеличение проводимости в диэлектрике при возрастании напряжения может привести к электрическому пробою. И аналогично, если сопротивление изоляции падает, значит изоляция не справляется со своей задачей и необходимо применять меры. Сопротивление изоляции состоит из поверхностного и объемного сопротивлений.

Под диэлектрическими потерями в диэлектриках понимают потери тока внутри диэлектрика, которые рассеиваются в виде тепла. Для определения этой величины вводят параметр тангенс дельта tgδ. δ — угол, дополняющий до 90 градусов, угол между током и напряжением в цепи с емкостью.

Диэлектрические потери бывают: резонансные, ионизационные, на электропроводность, релаксационные. Теперь подробнее поговорим про каждый тип.

Электрическая прочность это отношение пробивного напряжения к расстоянию между электродами (или толщина диэлектрика). Эта величина определяется минимальной величиной напряженности электрического поля, при которой произойдет пробой.

Пробой может быть электрическим (ударная ионизация, фотоионизация), тепловым (большие диэлектрические потери, следовательно много тепла, и обугливание с оплавлением может произойти) и электрохимическим (в результате образования подвижных ионов).

И в конце таблица диэлектриков, как же без нее.

В таблице выше приведены данные по электрической прочности, удельному объемному сопротивлению и относительной диэлектрической проницаемостью для различных веществ. Также тангенс угла диэлектрических потерь не обошли стороной.

Пробой диэлектрика

Помните мы в данной статье уже говорили о том, что у каждого диэлектрика есть свой предел и что нельзя однозначно называть вещество диэлектриком и нужно рассматривать его в динамике. Так вот, давайте вернемся к этой теме и немного углубимся в нее. Знаете ли вы, что происходит при поляризации?

Дело в том, что при этом явлении начинается такое состояние, называемое стационарным или же квазистанционырным, если воздействие напряжения извне переменное. Такое состояние отличается от обычного тем, что значения поляризации могут очень долго держаться на одном уровне. Вместе с ними стабилизируется и электропроводность.

Если сразу же начать увеличивать напряженность в таком поле, то можно будет очень точно определить тот предел, при котором эта самая стабильность будет резко нарушаться. Сразу же увеличиться ток, электропроводность, а это уже прямой путь из диэлектрика в проводники. Действительно, после этого вещество уже нельзя охарактеризовать, как диэлектрик. Такой процесс перехода диэлектрика в проводники называется пробоем диэлектрика.

Когда мы поняли, что такое пробой, давайте теперь поймем, как можно легко определить, в какой момент пробой диэлектрика происходит

Как мы можем понять, временной порог пробоя может зависеть от температуры, агрегатного состояния вещества и многих других факторов, тут важно другое. Давайте разберем основные случаи пробоя, их всего лишь два, поэтому не пугайтесь:

• тепловые явления, при которых возрастающая электропроводность обуславливается тем, что диэлектрик очень быстро нагревается, из-за чего стационарным тепловое состояние уже быть не может
• электрические явления, которые происходят из-за увеличения количества свободных электронов и ионов. Это тоже происходит в двух случаях. Либо появление свободных зарядов обусловлено сбитием их другими движущимися зарядами, либо сбитием полем.

Зонная теория

Зонная теория описывает наличие или отсутствие свободных носителей зарядов, относительно определенных энергетических слоев. Энергетическим уровнем или слоем называют количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – простых частиц), их измеряют в величине Электронвольты (ЭВ).

На изображении ниже показаны три вида материалов с их энергетическими уровнями:

Обратите внимание, что у проводника энергетические уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это называется зоной перекрытия

В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и прочих факторов количество электронов может изменяться. Благодаря вышеописанному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сообщить им какое-то минимальное количество энергии.

У полупроводника между зоной валентности и зоной проводимости присутствует определенная запрещенная. Ширина запрещенной зоны описывает, какое количество энергии нужно сообщить полупроводнику, чтобы начал протекать ток.

У диэлектрика диаграмма похожа на ту, которая описывает полупроводники, однако отличие лишь в ширине запрещенной зоны – она здесь во много раз большая. Различия обусловлены внутренним строением и вещества.

Мы рассмотрели основные три типа материалов и привели их примеры и особенности. Главным их отличием является способность проводить ток. Поэтому каждый из них нашел свою сферу применения: проводники используются для передачи электроэнергии, диэлектрики – для изоляции токоведущих частей, полупроводники – для электроники. Надеемся, предоставленная информация помогла вам понять, что собой представляют проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле, а также в чем их отличие между собой.

В электронных приборах используются самые разные материалы. Основными элементами, применяемыми для этих устройств, является проводниковая и полупроводниковая продукция. Для более эффективного их использования, необходимо точно знать, чем отличаются проводники от полупроводников. Свойства каждого элемента, применяемые в комплексе, позволяют создавать приборы, обладающие уникальными качествами и характеристиками.

§ 5. Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Как нам уже известно, проводник представляет собой тело, которое содержит большое число свободных электронов, заряды которых компенсируются положительными зарядами ядер атомов. Если металлический проводник поместить в электрическое поле (рис. 12), то под влиянием сил поля свободные электроны проводника придут в движение в сторону, противоположную направлению сил поля. В результате этого на одной стороне проводника возникает избыточный отрицательный заряд, а на другой стороне проводника — избыточный положительный заряд.

Рис. 12. Проводник в электрическом поле

Разделение зарядов в проводнике под влиянием внешнего электрического поля называется электризацией через влияние, или электростатической индукцией, а заряды на проводнике — индуцированными зарядами.

Индуцированные заряды проводника создают добавочное электрическое поле, направление которого противоположно внешнему полю.

Результирующее электрическое поле внутри проводника уменьшается, а вместе с ним уменьшаются силы, действующие на перераспределение зарядов. Движение зарядов в проводнике прекратится, когда напряженность поля, вызванного индуцированными зарядами проводника ε_п, станет равной напряженности внешнего поля ε_вн, а результирующая напряженность поля внутри проводника будет равна нулю.

Как было указано выше, диэлектрик отличается от проводника отсутствием свободных электронов (точнее, весьма малым количеством свободных электронов). Электроны атомов диэлектрика прочно связаны с ядром атома.

Диэлектрик, внесенный в электрическое поле, так же как и проводник, электризуется через влияние. Однако между электризацией проводника и диэлектрика имеется существенная разница. Если в проводнике под влиянием сил электрического поля свободные электроны передвигаются по всему объему проводника, то в диэлектрике свободного перемещения электрических зарядов произойти не может. Но в пределах каждой молекулы диэлектрика возникает смещение положительного заряда вдоль направления электрического поля и отрицательного заряда в обратном направлении. В результате на поверхности диэлектрика возникнут электрические заряды.

Рассматриваемое явление называется поляризацией диэлектрика.

Различают диэлектрики двух классов. У диэлектриков первого класса молекула в нейтральном состоянии имеет положительный и отрицательный заряды, настолько близко расположенные один к другому, что действие их взаимно компенсируется. Под влиянием электрического поля положительные и отрицательные заряды в пределах молекулы несколько смещаются один относительно другого, образуя диполь* (рис. 13).

* ()

Рис. 13. Электрические заряды молекул диэлектрика: а — без внешнего поля, б — при наличии поля

У диэлектриков второго класса молекулы и в отсутствие электрического поля образуют диполи. Такие диэлектрики называются полярными. К ним относятся вода, аммиак, эфир, ацетон и т. д. У таких диэлектриков при отсутствии электрического поля диполи в пространстве расположены хаотически, и вследствие этого результирующее электрическое поле вокруг полярного диэлектрика равно нулю. Под действием внешнего электрического поля молекулы (а стало быть, и диполи) стремятся повернуться так, чтобы их оси совпали с направлением внешнего поля. С устранением электрического поля поляризация диэлектрика исчезает. Таким образом, поляризация представляет собой упругое смещение электрических зарядов в веществе диэлектрика.

При некоторой определенной величине напряженности электрического поля смещение зарядов достигает предельной величины, после чего происходит разрушение — пробой диэлектрика, в результате которого диэлектрик теряет свои изолирующие свойства и становится токопроводящим.

Напряженность электрического поля, при которой наступает пробой диэлектрика, называется пробивной напряженностью ε_пр. Напряженность поля, допускаемая при работе диэлектрика ε_доп, должна быть меньше пробивной напряженности. Отношение

называется запасом прочности.

Приведем значения пробивной напряженности (в кв/мм) для некоторых диэлектриков:

Основные свойства проводников

Классическая электронная теория металлов представляет твердый проводник в виде системы состоящей из узлов кристаллической ионной решетки внутри которой находится электронный газ из свободных электронов. От каждого атома металла в свободное состояние переходит 1-2 электрона. При столкновении электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводника. Вследствие чего он нагревается. Электронная теория металлов дает возможность аналитически описать и объяснить основные законы электропроводности и потерь электрической энергии в металлах.

Опыты подтвердили гипотезу о электронном газе в металлах, а именно:1)При длительном пропускании электрического тока через цепь, состоящую из одних металлических проводников не наблюдается проникновение атомов одного металла в другой.2)При нагреве металлов до высоких температур скорость теплового движения свободных электронов увеличивается и наиболее быстрые из них могут вылетать из металла преодолевая силы поверхностного потенциального барьера.3)В момент неожиданной остановки быстро двигавшегося проводника происходит смещение электронного газа по закону инерции в направлении движения. Смещение электронов приводит к появлению разности потенциалов на концах заторможенного проводника и стрелка подключенного к ним измерительного прибора отклоняется по шкале4)Исследуя поведение металлических проводников в магнитном поле установили, что вследствие искривления траектории электронов в металлической пластине, помещенной в поперечное магнитное поле, появляется ЭДС и изменяется электрическое сопротивление проводника.

Представляя металл как систему, в которой положительные ионы скрепляются посредствам свободно движущихся электронов, легко понять природу всех основных свойств металлов: пластичность, ковкость, теплопроводность, электропроводность.К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов относятся: удельная проводимость γ или обратная ей величина — удельное сопротивление ρ, температурный коэффициент удельного сопротивления , коэффициент теплопроводности, контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термо ЭДС) ε, предел прочности при растяжении и относительное удлинение перед разрывом .Удельная проводимость металлических проводников согласно классической теории металлов может быть выражена:

гдее — заряд электрона;_n0 — число свободных электронов в единице объема металла;λ — средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решетки;m — масса электрона;υ_T— средняя скорость теплового движения свободного электрона в металле.

Проводники на печатных платах

Как вы знаете, все схемы состоят из проводов или печатных дорожек, которые соединяют различные радиоэлементы в единое целое. Например, в статье “самый простой усилитель звука“, я с помощью проводов соединял различные радиоэлементы, и у меня получилась схема, которая усиливала звуковые частоты.

Для того, чтобы все было красиво, эстетично и занимало мало пространства, прямо на платах создают “проводки”, которые уже называются “печатными дорожками”.

В домашних условиях все это делается с помощью технологии ЛУТ (Лазерно-Утюжная-Технология).

На другой стороне печатной платы уже располагаются радиоэлементы

Так как радиолюбители стараются делать свои устройства как можно меньше по габаритам, то и плотность монтажа возрастает. Поэтому, в некоторых случаях радиоэлементы и печатные дорожки располагают по обе стороны платы.

Промышленные печатные платы уже делают многослойными. Они состоят из слоев, как торт из коржей:

Бум SMD технологий вызвал в свою очередь нужду в многослойных печатных платах.

Поговорим о поляризации

Следующий важный термин, о котором пришло время узнать — это поляризация диэлектриков. Дело в том, что процессы смещения зарядов диэлектрика протекают с разной скоростью. Как мы уже сказали ранее, для связанных зарядов время смещения гораздо меньше, а вот другие процессы протекают очень медленно.

При смещении зарядов диэлектрика образуется еще одно поле. Оно как раз и делает главное (внешнее) поле слабее. Как раз явление образования нового поля и называется поляризацией диэлектрика. Теперь давайте углубимся в этот процесс, ведь тут очень много интересных подробностей.

Для начала давайте поймем, почему новое поле появляется именно при смещении. Тут как раз все просто, ведь теперь из беспорядочного состояния диэлектрик становится более упорядоченным — отрицательные заряды теперь расположены левее своих положительных зарядов. Как раз это и создает новое поле.

Проницаемость диэлектрика

А как же измерить, насколько внутреннее поле ослабевает внешнее? Что-ж, здесь все очень просто. Такая мера называется электрическая проницаемость или проницаемость диэлектрика (наверняка вы уже слышали такой термин). Обычно говорят, что проницаемость диэлектрика это постоянная, но на самом деле в связи с тем, что поляризация протекает довольно долго, будем говорить, что эта величина зависит от времени действия внешнего поля.

Как на проницаемость диэлектрика влияет температура?

Но только ли время влияет на электрическую проницаемость. Выясняется, что не только. Оказывается, если увеличить температура, то вместе с этим еще и увеличивается интенсивность теплового движения, а это, как вы понимаете, напрямую влияет на проницаемость диэлектрика. Почему? Все просто: переход в устойчивое состояние становится более сложным, а поэтому диэлектрическая проницаемость с увеличением температуры становится все меньше.

Поляризация диэлектриков

Ме­ха­низ­мы по­ля­ри­за­ции Д. за­ви­сят от ха­рак­те­ра хи­мич. свя­зи, т. е. рас­пре­де­ле­ния элек­трон­ной плот­но­сти в Д. В ион­ных кри­стал­лах (напр., NaCl) по­ля­ри­за­ция яв­ля­ет­ся ре­зуль­та­том сдви­га ио­нов от­но­си­тель­но друг дру­га (ион­ная по­ля­ри­за­ция), а так­же де­фор­ма­ции элек­трон­ных обо­ло­чек отд. ио­нов (элек­трон­ная по­ля­ри­за­ция), т. е. сум­мой ион­ной и элек­трон­ной по­ля­ри­за­ций. В кри­стал­лах с ко­ва­лент­ной свя­зью (напр., ал­маз), где элек­трон­ная плот­ность рав­но­мер­но рас­пре­де­ле­на ме­ж­ду ато­ма­ми, по­ля­ри­за­ция обу­слов­ле­на гл. обр. сме­ще­ни­ем элек­тро­нов, осу­ще­ст­в­ляю­щих хи­мич. связь. В т. н. по­ляр­ных Д. (напр., твёр­дый h3S) груп­пы ато­мов пред­став­ля­ют со­бой элек­трич. ди­по­ли, ко­то­рые ори­ен­ти­ро­ва­ны хао­ти­че­ски в от­сут­ст­вии элек­трич. по­ля, а в по­ле при­об­ре­та­ют пре­иму­ще­ст­вен­ную ори­ен­та­цию. Та­кая ори­ен­та­ци­он­ная по­ля­ри­за­ция ти­пич­на для мн. N_{i=1}\boldsymbol P_i$$ где $p_i$ – ди­поль­ные мо­мен­ты час­тиц (ато­мов, ио­нов, мо­ле­кул), $N$ – чис­ло час­тиц в еди­ни­це объ­ё­ма. Век­тор $\boldsymbol P$ за­ви­сит от на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля $\boldsymbol E$. В сла­бых по­лях $\boldsymbol P=ε_0ϰ\boldsymbol E$. Ко­эф. про­пор­цио­наль­но­сти $ϰ$ на­зы­ва­ет­ся ди­элек­трической вос­при­им­чи­во­стью. Час­то вме­сто век­то­ра $\boldsymbol P$ ис­поль­зу­ют век­тор элек­трич. ин­дук­ции $$\boldsymbol D=ε_0\boldsymbol E+\boldsymbol P=ε_0ε\boldsymbol E \text{ (в СИ)},\tag1$$где $ε$ – ди­элек­три­че­ская про­ни­цае­мость, $ε_0$ – элек­три­че­ская по­сто­ян­ная. Ве­ли­чи­ны $ϰ$ и $ε$ – осн. ха­рак­те­ри­сти­ки Д. В ани­зо­троп­ных Д. (напр., в не­ку­би­че­ских кри­стал­лах) на­прав­ле­ние $\boldsymbol P$ оп­ре­де­ля­ет­ся не толь­ко на­прав­ле­ни­ем по­ля $\boldsymbol E$, но и на­прав­ле­ни­ем осей сим­мет­рии кри­стал­ла. По­это­му век­тор $\boldsymbol P$ бу­дет со­став­лять разл. уг­лы с век­то­ром $\boldsymbol E$ в за­ви­си­мо­сти от ори­ен­та­ции $\boldsymbol E$ по от­но­шению к осям сим­мет­рии кри­стал­ла. В этом слу­чае век­тор $\boldsymbol D$ бу­дет оп­ре­де­лять­ся че­рез век­тор $\boldsymbol E$ с по­мо­щью не од­ной ве­ли­чи­ны $ε$, а не­сколь­ких (в об­щем слу­чае шес­ти), об­ра­зую­щих тен­зор ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­сти.

Электрофорус

Если поведение диэлектриков в электрическом поле долгое время оставалось неизученным, благодаря металлам Вольта узнал больше об электричестве и позже смог изобрести знаменитый гальванический источник питания. Речь идёт об электрофорусе. Прибор, не слишком известный в России, будоражил умы западных учёных, сегодня служит непременным элементом развлечения студентов. Прибор сейчас покажет (и докажет), как ведут себя проводники в электрическом поле.

Электрофорус – статический генератор с ручным взводом, металлическая печать солидного размера, лучший способ демонстрации статического электричества. Представим, что на круглую подложку из древесины наклеен тончайший лист резины. Вольта говорил, что толстый кусок проявляет худшие свойства. Но не сумел объяснить причину. В давнее время люди не знали, что диэлектрики обладают способностью запасать энергию электрического поля во внутренней структуре. Принцип теперь используется в большинстве конденсаторов.

Тонкий кусок меньше энергии поля поглощал и больше оставлял на поверхности в виде заряда. Трением быстрее доводился до кондиции. Указанный факт отметил Вольта. Требовалось резину натереть. Вольта делал это добрым куском шерсти в течение ряда минут.

Заключительным штрихом конструкции служил тонкий металлический диск, полностью покрывавший резиновый. Толщина выбиралась меньшей, чтобы свойства проводника в электрическом поле проявились ярче. Что происходило в электрофорусе:

1. Оператор натирал резину до образования плотного статического заряда электронов.
2. Убирал шерсть и опускал сверху металлический диск.
3. Проводник электризовался влиянием. Из-за шероховатости поверхности точек соприкосновения оказывалось мало, низ диска заряжался положительно. Это вызвано оттоком электронов, вытолкнутых полем наверх (см. ниже).
4. Потом оператор кратковременно заземлял верхнюю часть диска лёгким касанием и разрывал поверхности.
5. На нижней стороне металлической «печати» оставался свободный статический положительный заряд.

Опыт повторялся десятки раз. Очевидцы заявляют о сотнях, а Вольта говорил, что «сложно избавить резину от флюида» и предлагал делать это солнечными лучами, пламенем свечи и прочими сильными средствами. Чтобы понять, как работает электрофорус, нужно иметь представление о поведении проводника в электрическом поле.

Электростатическая индукция

Любое тело, помещенное в электрическом поле, электризуется. Однако процесс электризации для различных веществ будет разным.

Электрические характеристики электронейтрального тела зависят от подвижности заряженных частиц в нем, которая определяется строением атомов вещества и их взаимным расположением.

По концентрации свободных заряженных частиц в веществе все вещества делятся на три основных класса: проводники, диэлектрики и полупроводники. К проводникам относятся вещества, содержащие заряженные частицы, способные двигаться упорядоченно по всему объему тела под действием электрического поля, — так называемые свободные заряды. Проводниками являются все металлы, водные растворы солей, кислот, щелочей, расплавы солей, ионизованные газы.

Рассмотрим поведение в электрическом поле только твердых металлических проводников. В металлах носителями свободных зарядов являются свободные электроны. Их называют электронами проводимости. Свободные электроны участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по куску металла в любом направлении.

Поместим незаряженный металлический проводник в однородное электростатическое поле.

Под действием поля в нем возникнет упорядоченное движение свободных электронов в направлении, противоположном направлению напряженности Ē этого поля. Электроны будут накапливаться на одной стороне проводника и образуют там избыточный отрицательный заряд, а их нехватка на другой стороне проводника повлечет образования там избыточного положительного заряда, то есть в проводнике произойдет разделение зарядов. Эти нескомпенсированные разноименные заряды появляются в проводнике только под действием внешнего электрического поля, то есть такие заряды являются индуцированными (приведенными). А в целом проводник остается незаряженным. В этом мы убеждаемся, вынимая проводник из электрического поля.

Вид электризации, при котором под действием внешних электрических полей происходит перераспределение зарядов между частями определенного тела, называют электростатической индукцией.

Нескомпенсированные электрические заряды, появившиеся на противоположных частях проводника, создают внутри проводника собственное электрическое поле напряженностью Ē_вн. Направления внешнего и внутреннего полей — противоположные:

Проводник во внешнем электрическом поле

В результате перемещения свободных носителей заряда и накопления их на противоположных частях проводника напряженность Ē внутреннего поля увеличивается и, наконец, уравнивается по модулю с напряженностью Ē_вн внешнего поля.  Это приводит к тому, что напряженность результирующего поля внутри проводника равна нулю. К тому же на проводнике устанавливается равновесие зарядов.

Свойства диэлектриков

Водонепроницаемость

Твердые диэлектрики могут мешать проникновению влаги внутрь. Благодаря этому свойству их часто используют для уличного оборудования. Причем это относится не только к воде, но и прочим жидкостям, например, напиткам, сокам, молоку и так далее.

Теплозащита

Диэлектрики отлично переносят сильные температуры. Например, не зря их использую в космосе, где полоска термометра бывает ниже -90°C. Именно поэтому диэлектрики – отличный помощник в сильные морозы и жаркие дни.

Сдерживаемость радиации

Диэлектрики не пропускают радиацию, щелочи и кислотные вещества

Это очень важно, при возникновении утечки на станциях и заводах, где есть опасные химические элементы. Изоляторы, без какого-либо преувеличения, могут спасти тысячи людей от смерти

Поляризация

Удивительное свойство, которое присутствует исключительно у диэлектриков. Благодаря ему неприводимые материалы могут притягиваться к проводимым и тем самым создавать целую цепь. Это свойство используется повсеместно, почти во всех технологиях и машинах.

Ослабление внешнего поля

Диэлектрики помогают сделать внешнее давление более слабым и тем самым безопасным. Они контролируют поле и помогают его использовать в различных целях

Очень важное свойство, позволяющее сделать работу более безопасной

Элегаз

Диэлектрики могут быть газообразными. Сухой воздух — хороший диэлектрик, но в некоторых задачах его электроизоляционные свойства недостаточны. Пример газообразного диэлектрика — гексафторид серы или «элегаз», он тяжелее воздуха и имеет пробивное напряжение в несколько раз выше, чем у воздуха, что позволяет сделать электрическую машину компактнее. Кроме того, элегаз обладает дугогасящими свойствами, и при контакте с дугой практически не деградирует, рекомбинируя обратно.

Довольно забавный опыт, когда вдохнув гелия голос человека становится выше с элегазом выглядит иначе — голос становится ниже. Другое видео: Пара гелий — гексафторид серы Так как элегаз тяжелее воздуха, в нем может плавать легкая лодка.

Вопрос 4. Проводники и диэлектрики в электрическом поле.

Электростатическое поле — эл.поле, образованное неподвижными электрическими зарядами. Свободные электроны — электроны, способные свободно перемещаться внутри проводника ( в основном в металлах) под действием эл. поля; Свободные электроны возникают при образовании металлов: электроны с внешних оболочек атомов утрачивают связи с ядрами и начинают принадлежать всему проводнику- участвуют в тепловом движении и могут свободно перемещаться по всему проводнику. Электростатическое поле внутри проводника — внутри проводника электростатического поля нет ( Е = 0 ), что справедливо для заряженного проводника и для незаряженного проводника, внесенного во внешнее электростатическое поле. Почему? — т.к. существует явление электростатической индукции, т.е. явление разделения зарядов в проводнике, внесенном в электростатическое поле ( Евнешнее) с образованием нового электростатического поля ( Евнутр. ) внутри проводника. Внутри проводника оба поля ( Евнешн. и Евнутр.) компенсируют друг друга, тогда внутри проводникаЕ = 0.Заряды можно разделить Электростатическая защита- металл. экран, внутри которого Е = 0, т.к. весь заряд будет сосредоточен на поверхности проводника.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое электрическое поле?
2. Что характеризует напряженность электрического поля.
3. Единицы измерения напряженности электрического поля.
4. Как направлены силовые линии электрического поля?
5. Что такое проводники и диэлектрики? Примеры в жизни, профессии. Важность. Значение.

 

Тема 20:Электроемкость. Конденсаторы

План:

1. Электроемкость.

2. Конденсаторы.

3. Энергия заряженного конденсатора.

4. Применение конденсаторов.

Вопрос 1. Электроемкость. Способность тел накапливать электрический заряд. Лейденская банка. Электроемкостью конденсатора называют величину, равную отношению величины заряда одной из пластин к напряжению между ними. Электроемкость обозначается .По определению . Единицей электроемкости является фарад (Ф). 1 фарад — это электроемкость такого конденсатора, напряжение между обкладками которого равно 1 вольту при сообщении обкладкам разноименных зарядов по 1 кулону.

Вопрос 2. Конденсаторы. Обозначение. Работа в схемах.Конденсатор — это система двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Так, например, две плоские металлические пластины, расположенные параллельно и разделенные диэлектриком, образуют плоский конденсатор

Вопрос 3. Энергия заряженного конденсатора. Для накопления значительных количеств разноименных электрических зарядов применяются конденсаторы. . Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность между пластинами будет в два раза больше, чем напряженность одной пластины. Вне пластин напряженность равна нулю. — конденсатор постоянной емкости — конденсатор переменной емкости. Электроемкость плоского конденсатора (рис. 16) находится по формуле:

где — электрическая постоянная, — диэлектрическая постоянная среды, — площадь обкладки конденсатора, — расстояние между обкладками (или толщина диэлектрика).

Вопрос 4. Применение конденсаторов Существуют различные варианты классификации конденсаторов, используемых в электронных схемах. Чаще всего такие устройства разделяют на типы по виду используемого в них диэлектрика. По особенностям диэлектрика можно выделить следующие типы: с жидкими диэлектриками. вакуумные, в которых отсутствует диэлектрик. с твердым органическим диэлектриком.с газовым диэлектриком. электролитические или оксид-полупроводниковые с электролитом или оксидным металлическим слоем. с твердым неорганическим диэлектриком. Второй вариант классификации – по вероятности колебания величины ёмкости. По этой характеристике можно выделить следующие устройства: Переменные – которые могут менять ёмкость из-за воздействия напряжения или температурных условий. Постоянные – величина ёмкости не изменяется на протяжении срока службы. Подстроечные – с изменяемой ёмкостью, используемые для периодической или разовой подстройки схем. В телевизионной и радиотехнической аппаратуре – для реализации колебательных контуров, а также их блокировки и настройки. Также их используют для разделения цепей различной частоты, в выпрямительных фильтрах и т. д. В радиолокационных приборах – с целью формирования импульсов большой мощности. В телеграфии и телефонии – для разделения цепей постоянного и переменного токов, токов различной частоты, симметрирования кабелей, искро гашения контактов и прочее. В телемеханике и автоматике – с целью реализации датчиков емкостного принципа, разделения цепей пульсирующего и постоянного токов, искрогашения контактов, в тиратронных импульсных генераторах и т. д. В сфере счетных устройств – в специальных запоминающих устройствах.

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое электроемкость?

2. Единицы измерения электроемкости.

3.Что такое конденсаторы?

4.Виды конденсаторов. Обозначение на схемах

 

Тема 21:Постоянный электрический ток

План:

1. Электрический ток.

2. Сила тока.

3. Закон Ома для участка цепи.

4. Сопротивление.

Вопрос 1. Электрический ток.Направленное движение электрических зарядов (электронов, ионов). Действия электрического тока (тепловое, магнитное, химическое).Исторически принято, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения заряженных частиц.

Вопрос 2. Сила тока.Сила тока ( I )- скалярная величина, равная отношению заряда q , прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени t , в течение которого шел ток. Сила тока показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. Единица измерения силы тока в системе СИ:[I] = 1 A (ампер)

Вопрос 3. Закон Ома для участка цепи.Сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению. I=U/R,где I – сила тока,U – напряжение,R – сопротивление.Из формулы для закона Ома можно рассчитать также величины напряжения и сопротивления участка цепи:U=IR и R=U/IПравда, следует понимать, что в собранной цепи величина сопротивления некоторого участка цепи есть величина постоянная, поэтому при изменении силы тока будет изменяться только напряжение и наоборот. Для изменения сопротивления участка цепи следует собрать цепь заново. Расчет же требуемой величины сопротивления при сборке цепи можно произвести по закону Ома, исходя из предполагаемых значений силы тока и напряжения, которые будут пропущены через данный участок цепи.

Вопрос 4. Сопротивление.Способность проводника противодействовать прохождению электрического тока. Электрическое сопротивление ( R ) — это физическая величина, численно равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, проходящего через проводник. Величину сопротивления для участка цепи можно определить из формулы закона Ома для участка цепи. Однако, сопротивление проводника не зависит от силы тока в цепи и напряжения, а определяется только формой, размерами и материалом проводника.где l — длина проводника ( м ), S — площадь поперечного сечения (кв.м ),r ( ро) — удельное сопротивление (Ом м ). Удельное сопротивление— показывает, чему равно сопротивление проводника, выполненного из данного вещества, длиной в 1м и с поперечным сечением 1 м кв.

Единица измерения удельного сопротивления в системе СИ: 1 Ом м Однако, на практике толщина проводов значительно меньше 1 м кв, поэтому чаще используют внесистемную единицу измерения удельного сопротивления: Единица измерения сопротивления в системе в СИ:[R] = 1 Ом Сопротивление проводника равно 1 Ом, если при разности потенциалов на его концах в 1 В, по нему протекает ток силой 1 А. Причиной наличия сопротивления у проводника является взаимодействие движущихся электронов с ионами кристаллической решетки проводника. Из-за различия в строении кристаллической решетки у проводников, выполненных из различных веществ, сопротивления их отличаются друг от друга. Существует физическая величина обратная сопротивлению — электрическая проводимость.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое электрический ток?
2. Охарактеризовать действия электрического тока.
3. Единицы измерения электрического тока.
4. Важность закона Ома.
5. Что такое электрическое сопротивление?
6. Обозначение на схемах. Примеры в жизни, профессии.

Тема 22:Электрические цепи.

План:

1. Электрические цепи.

2. Последовательное и параллельное соединение проводников

Вопрос 1. Электрические цепи.Электрическая цепь – это совокупность проводящих элементов, необходимых для протекания электрического тока. Провода, ключ, источник тока, амперметр, вольтметр, сопротивление. Схема. Электрическая цепь (далее − цепь) − совокупность электрических элементов, связанных проводами, ключами, электрическим и магнитным полями. Мы будем рассматривать цепи, содержащие элементы, указанные в таблице: Мы разделим их на линейные и нелинейные цепи. Линейные цепи состоят из линейных элементов. В таких цепях протекают постоянные токи. На элементах линейных цепей постоянные напряжения. Линейный элемент−элемент, вольт-амперная характеристика которого представлена прямой линией. Например, резистор и источник являются примерами линейных элементов. Нелинейные цепи содержат конденсатор и/или катушку индуктивности. В таких цепях могут протекать переменные токи и быть переменные напряжения. По содержанию тех или иных элементов можно ввести классификацию. Например, RC-цепи включают резисторы, конденсаторы и, возможно, источники. Условные обозначения провода и ключа показаны в таблице: Ключ − это простой выключатель. Он может как замыкать, так и размыкать две точки электрической цепи. Провод −это тонкий гибкий проводник. Обычно в задачах у него будет нулевое сопротивление.

Вопрос 2. Последовательное и параллельное соединение проводников. Схема соединения. Формулы. Применение. Значение. Смешанное соединение.

Последовательное соединение проводников— это такое соединение, при котором конец предыдущего проводника соединяется с началом только одного — следующего: При последовательном соединении соротивление равно сумме сопротивлений всех проводников (R = R₁ + R₂), сила тока остаётся постоянной (I = const) по закону сохранения заряда,а напряжение, как и сопротивление, равно сумме напряжений на каждом участке (U = U₁ + U₂).Параллельное соединение проводников— это такое соединение, при котором все проводники подключены между одной и той же парой точек (узлами):Узел — точка разветвления цепи, в которой соединяются не менее трёх проводников. Сила тока при параллельном соединении равна сумме сил тока на каждом проводнике (I = I₁ + I₂), напряжение остаётся постоянным (U = const). А вот с сопротивлением всё не так просто: сопротивление характеризует проводимость проводника, проводимость — величина, обратно пропорциональная сопротивлению (G = 1/R), измеряется в сименсах(1 См = 1 Ом^-1) и при параллельном соединении равна сумме проводимостей всех проводников (G = G₁ + G₂), следовательно 1/R = 1/R₁ + 1/R₂. Смешанное соединение проводников Смешанное соединение проводников — это такое соединение, при котором некоторые проводники соединены последовательно, а некоторые — параллельно:

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое электрический ток?
2. Охарактеризовать действия электрического тока.
3. Единицы измерения электрического тока.
4. Что такое электрическая цепь?
5. Перечислите элементы электрической цепи.
6. Зарисуйте схему простейшей электрической цепи.
7. Дать определение параллельному и последовательному соединению проводников.

Тема 23:Закон Ома для полной цепи

План занятия:

1. Работа и мощность постоянного тока.

2. Электродвижущая сила.

3. Закон Ома для полной цепи.

Вопрос 1. Работа и мощность постоянного тока.Работа тока- это работа электрического поля по переносу электрических зарядов вдоль проводника; Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого работа совершалась. Применяя формулу закона Ома для участка цепи, можно записать несколько вариантов формулы для расчета работы тока: системе СИ:ЗАКОН ДЖОУЛЯ –ЛЕНЦА

При прохождении тока по проводнику проводник нагревается, и происходит теплообмен с окружающей средой, т.е. проводник отдает теплоту окружающим его телам. Количество теплоты, выделяемое проводником с током в окружающую среду, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику. По закону сохранения энергии количество теплоты, выделяемое проводником численно равно работе, которую совершает протекающий по проводнику ток за это же время. В системе СИ:[Q] = 1 Дж

МОЩНОСТЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

— отношение работы тока за время t к этому интервалу времени. В системе СИ:

Вопрос 2. Электродвижущая сила.для существования тока в цепи необходим источник тока – устройство, в котором действуют сторонние силы (силы не электростатической природы), совершающие работу по разделению зарядов и поддерживающие постоянную разность потенциалов между концами остальной части цепи. Действие сторонних сил характеризуется физической величиной называемой электродвижущей силой — ЭДС источника численно равна работе по перемещению единичного положительного заряда внутри источника от его отрицательного полюса к положительному .Единица измерения в СИ [ ] = 1 В.При перемещении заряда q внутри источника тока сторонние силы совершают работу А_стор = q Q_внеш = I² R t = q I R — количество теплоты выделяющееся во внешней цепиQ_внут = I² r t = q I r — количество теплоты выделяющееся в источнике тока (где r — внутреннее сопротивление источника).

Вопрос 3. Закон Ома для полной цепи. — сила тока в цепи пропорциональна действующей в цепи ЭДС и обратно пропорциональна сумме сопротивлений цепи и внутреннего сопротивления источника.- данное уравнение представляет собой закон Ома для полной цепи. Сумма сопротивлений R + r называется полным сопротивлением цепи. При помощи полного закона Ома для полной цепи можно вычислить общие значения напряжения на клеммах источника электропитания, общий ток (потребляемый этой цепью) и суммарное сопротивление всей цепи. А что же делать, если нам необходимо узнать эти основные электрические характеристики в определённых частях цепи? Применить этот закон к конкретной части цепи (выбросив из формулы внутреннее сопротивление источника электропитания): I=U⁄RЛюбую электрическую схему (любой сложности) можно представить в виде простых путей, по которым перемещаются электроны. Взяв любой такой участок и определив его двумя точками, к нему смело можно применять закон Ома. На этих точках будет своё падение напряжения, своё внутреннее сопротивление и свой ток. Зная значения любых двух характеристик, по закону Ома всегда можно вычислить третье.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое электрический ток?
2. Что такое ЭДС?
3. Единицы измерения электрического тока.
4. Что такое электрическая цепь?
5. Закон Ома для полной цепи.

 

 

Тема 24:Полупроводники

План:

1. Электрический ток в полупроводниках.

2. Полупроводниковые приборы.

Вопрос 1. Электрический ток в полупроводниках.Полупроводники — вещества, удельное сопротивление которых с увеличением температуры резко уменьшается. кремний (Si), германий (Ge), сульфид серебра (PbS), сульфид кадмия (CdS) На внешней оболочке атома имеется четыре электрона, слабо связанных с ядром. Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью парно электронной связи (ковалентной). Парно электронные связи кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому при низких температурах кремний не проводит электрический ток. При нагревании полупроводника (Si) кинетическая энергия валентных электронов повышается и наступает разрыв отдельных связей, образуя при этом свободный электрон и дырку — вакантное место. В электрическом поле они (свободные электроны и дырки) перемещаются между узлами решётки, образуя электрический ток. Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью, а проводимость, обусловленную наличием у них дырок, называют дырочной проводимостью. При нагревании от 300 до 700 К число свободных носителей заряда увеличивается от 10¹⁷ до 10²⁴ м^-3. Это приводит к уменьшению сопротивления. Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, т.к. мало число свободных электронов. Проводимость полупроводников зависит от примесей. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно менять число носителей заряда того или иного знака. Полупроводники n — типа. Примесь атомов мышьяка (As) элемента V группы, даже при очень малой концентрации резко увеличивает число свободных электронов в полупроводнике. Примеси, легко отдающие электроны, называют донорными (отдающими) примесями. Полупроводники, имеющие донорные примеси, обладают большим числом электронов (по сравнению с числом дырок), их называют полупроводниками n — типа (от слова negativ — отрицательный). В полупроводниках n — типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки — не основными носителями заряда. Полупроводники p — типа. Такого рода примеси называют акцепторными (принимающими) примесями. Полупроводники, имеющие акцепторные примеси, обладают большим числом дырок (по сравнению с числом электронов), их называют полупроводниками p — типа (от слова positiv — положительный). В полупроводнике p — типа дырки являются основными носителями заряда, а электроны — неосновными носителями заряда.

Вопрос 2.Полупроводниковые приборы. Вся бытовая, научная, военная, космическая техника работает на полупроводниках. Диоды, транзисторы, микросхемы. Полупроводниковый фотоэлемент состоит из кремниевого кристалла n-типа, в котором путём добавления примесей создана p-область на концах p-n–перехода самостоятельно возникают разноимённые заряды. То есть его можно рассматривать как источник кратковременного тока. Если же к p-n–переходу постоянно подводить световую энергию получится постоянно действующий источник с напряжением около 1 В. Полупроводниковый термоэлемент состоит из двух полупроводников p-типа и n-типа, не образующих p-n–переход Они соединены металлической пластиной, к которой подводится тепло от Другие концы полупроводников касаются отдельных металлических контактов, которые охлаждают воздухом или другим способом В более холодных частях полупроводников уменьшается количество свободных электронов и дырок, так как при более низкой температуре «примесные» электроны реже покидают атомы, значит, и реже образуются дырки.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое полупроводники?
2. Какие виды полупроводников вы знаете?
3. За счет чего осуществляется проводимость в полупроводниках?
4. Что такое акцепторные примеси?
5. Что такое донорные примеси?

 

Тема 25:Магнитное поле.

План:

1. Магнитное поле.

2. Индукция магнитного поля.

Вопрос 1. Магнитное поле. Его материальность(опыт с магнитной стрелкой, компасом, магнитом)Магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами).Магнитное поле обнаруживается по действию на ток (движущиеся заряды).Магнитное поле непрерывно и неограниченно. Магнитное поле существует реально и не зависит от нашего сознания. Действие магнитного поля может быть больше или меньше. Магнитное поле зависит от силы и направления электрического тока. Магнитные явления известны людям с глубокой древности. Еще древние греки знали, что существует особый минерал, способный притягивать железные предметы. Это был один из минералов железной руды, который сейчас известен как магнетит.. вокруг движущихся электрических зарядов, существует магнитное поле. Магнитное поле — это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами. Магнитное поле можно обнаружить и исследовать с помощью железных опилок, магнитной стрелки. Проводники, подводящие ток к контуру, должны быть расположены вблизи друг друга или сплетены между собой, тогда их магнитные поля взаимно компенсируются. магнитное поле оказывает на контур с током ориентирующее действие. За направление магнитного поля принимают направление от южного полюса к северному по оси свободно установившейся в магнитном поле стрелки.

---

Дата добавления: 2020-02-05; просмотров: 278; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

---

Диэлектрики — изоляционные материалы | Кабели Atlas

Теоретически идеальный кабель представляет собой неизолированный проводник в свободном воздушном пространстве. Однако на практике не все так просто.

Поверхностный эффект

Чтобы понять важность используемого в кабеле изоляционного материала, рассмотрим прохождение переменного тока через проводник. Различные частоты занимают в проводнике различные радиальные позиции. Низкочастотные сигналы занимают центр проводника, высокочастотные сигналы передаются по его поверхностным слоям. Таким образом, высокочастотные сигналы «вынуждены» протекать по области проводника с меньшим поперечным сечением, чем низкочастотные сигналы, а значит, эффективное сопротивление кабеля для них больше, чем для низкочастотных. Поэтому потери в кабелях зависят от частоты сигнала, и наибольшие потери терпят высокочастотные сигналы. Это явление известно как «поверхностный эффект». В кругах аудиофилов ведется ожесточенная дискуссия на эту тему, поскольку многие утверждают, что поверхностный эффект затрагивает только частоты за пределами человеческого слуха. Однако это не совсем верно – сопротивление проводника начинает расти из-за поверхностного эффекта в районе 20 кГц.

Высокие частоты «отвечают» за тембр, пространственность и чистоту.

См. ниже, слева направо.

• Радиальные позиции частот в проводнике.
• Область, занимаемая верхними частотами в витом проводнике.
• Область, занимаемая верхними частотами в цельном проводнике.

Низкие и средние частоты занимают центр проводника. Оптимизация низкочастотных составляющих сигнала особенно важна в акустических кабелях. Обширные тестовые исследования доказывают, что для чистого звучания басов проводник должен иметь поперечное сечение от 3,00 до 4,5 мм2. Кроме того, «большие» кабели должны быть витыми, в них должен использоваться высококачественный диэлектрик, такой как полиэтилен, тефлон или микропористый тефлон. На качество звучания также влияют и другие факторы, не поддающиеся измерению.

Конструкции с применением множественных изолированных жил преодолевают проблемы, связанные с увеличением сопротивления из-за поверхностного эффекта, однако такие низкоиндуктивные кабели имеют более высокую емкость. Кабели с низкой емкостью и низким сопротивлением не будут влиять на устройства, к которым они подключены в той степени, насколько кабели с высокой емкостью; акустические кабели должны иметь низкое сопротивление во избежание потерь сигнала, а межблочные кабели должны обладать низкой емкостью для увеличения скорости распространения сигнала.

Аудиосистемы, которые звучат в акустическом диапазоне ярче других, могут работать на грани нестабильности из-за использования кабелей высокой емкости. Яркость часто ошибочно принимается за улучшенную динамику, но «улучшения» динамического диапазона не должны достигаться за счет низкочастотной информации, поскольку это может вызвать нестабильность усилителя. Нежелательная яркость также свойственна посеребренным кабелям, которые через некоторое время утомляют слушателей. Atlas никогда не использует для аудиоприложений посеребренные кабели или кабели из различных металлов с разным сопротивлением и разными характеристиками.

Три вышеприведенных рисунка иллюстрируют, слева направо, радиальные области, занимаемые сигналом в проводнике в зависимости от частоты. Низкие частоты занимают центр проводника. Отсюда следует, что «толстый» проводник обладает меньшим сопротивлением в низкочастотном диапазоне и обеспечивает больше басов. Вот почему Atlas выпускает кабели разного сечения – например, акустические кабели Hyper выпускаются сечением 1,5, 2,0 и 3,0 мм2. В тех случаях, когда необходимы мощные басы, требуется применение кабеля большого сечения. Кроме того, при большой длине акустических кабелей лучше использовать более «толстые» кабели.

На втором рисунке показана область, занимаемая верхними частотами в витом проводнике.

На третьем рисунке показана область, занимаемая верхними частотами в цельном проводнике. Она больше, чем в витом проводнике, поэтому высокочастотный сигнал в цельном проводнике встречает меньшее сопротивление, в связи с чем в этом случае обеспечивается лучшая передача верхних частот. Во всех акустических кабелях bi-wire, производимых Atlas, используются витые проводники для передачи басов и цельные проводники – для передачи верхних частот. Напрашивается вопрос: почему не использовать цельный проводник и для тех, и других частот? Если взять, к примеру, цельный проводник сечением 3,00 мм2, при изгибе он будет не сгибаться, а ломаться, так что это непрактично. Это еще одна из причин использования витых проводников. Приблизительное оптимальное сечение цельного проводника – 1,5 мм2. Акустические кабели bi-wire, производимые Atlas, на стороне, подключаемой к колонкам, имеют четыре вывода неравной длины. Два более длинных вывода подключаются к верхнечастотным разъемам колонок (конечно, при условии, что они поддерживают режим bi-wire!), а два коротких – к низкочастотным разъемам.

Высокочастотные сигналы занимают периферийные слои проводника (см. выше). Низкокачественные диэлектрики уменьшают скорость распространения этих сигналов, что в результате приводит к звучанию, смещенному в сторону нижних и средних диапазонов акустического спектра. Плохое звучание часто связано с применением кабелей с низкокачественной изоляцией.

Изоляция из поливинилхлорида (PVC) дешева в производстве и наиболее часто используется в аудио и видео кабелях. Поливинилхлорид – низкокачественный диэлектрик, один из худших для аудио и видео сигналов, часто вызывающий большие потери из-за существенного снижения скорости распространения сигнала. Поливинилхлорид гораздо лучше подходит для силовых кабелей, а в аудио и видео кабелях его применения следует избегать.

Другие распространенные диэлектрики – полиэтилен, полипропилен и политетрафторэтилен (ПТФЭ), более известный под названием «тефлон». Недавно компания Atlas создала новый уникальный диэлектрик – микропористый тефлон.

Тефлон имеет высокую температуру плавления (327°C), которая идеально подходит для нанесения тефлонового покрытия на непригарные сковороды, но вызывает трудности при покрытии обработанной меди – при высоких температурах медь OFC и OCC возвращаются к гранулярному состоянию, теряя свою монокристаллическую структуру и превращаясь в технически чистую медь. Последние несколько лет компания Atlas совместно со своими поставщиками исследовала способы нанесения тефлоновых покрытий на обработанную медь, не дающие вышеописанных негативных эффектов. Благодаря этим развернутым исследованиям теперь стало возможным наносить на обработанную медь покрытие из одного из типов тефлона под названием «фторированный этилен-пропилен» (ФЭП), температура плавления которого – 275°. При нанесении покрытия медь одновременно охлаждается.

ФЭП существенно снижает диэлектрические потери в кабелях, сохраняя при этом все преимущества низкозернистых медных проводников. Этот вид тефлона используется во всех продуктах серии Atlas Ascent, в акустических кабелях Hyper и других.

Дальнейшие исследования привели к использованию в качестве диэлектрика микропористого тефлона (ПТФЭ). Первые продукты Atlas, в которых применяется этот изоляционный материал – межблочные и акустические кабели Mavros и Asimi.

Микропористый тефлон – это уникальный материал с низким удельным весом и существенно лучшими характеристиками по сравнению с обычным тефлоном. Микропористый тефлон содержит значительно большее количество воздуха, чем цельный тефлон. Воздух содержится в микроскопических (менее половины микрона диаметром) пузырьках внутри материала. Благодаря этому достигается чрезвычайно низкая диэлектрическая проницаемость – от 1,3 до 1,5 (следующий по качеству диэлектрик, тефлон, имеет диэлектрическую проницаемость от 2,1 до 2,3). Скорость распространения сигнала в кабелях с изоляцией из микропористого тефлона на 70-80% выше, чем в обычных кабелях, и примерно на 30% выше, чем в кабелях с изоляцией из обычного тефлона.

Микропористый тефлон (ПТФЭ) отличается повышенной фазовой стабильностью при температурных колебаниях. Фазовая стабильность кабеля зависит от коэффициента теплового расширения диэлектрика и проводников. Поскольку микропористый тефлон имеет более низкий коэффициент теплового расширения по сравнению с обычным тефлоном, его использование улучшает фазовую стабильность при колебаниях температуры.

При одинаковом внешнем диаметре кабели с изоляцией из микропористого тефлона обеспечивают меньшие потери сигнала, чем кабели с изоляцией из обычного тефлона. Во-первых, это связано с тем, что низкий коэффициент затухания самого диэлектрика уменьшает ослабление сигнала, особенно на высоких частотах. Во-вторых, с тем, что низкая диэлектрическая проницаемость микропористого тефлона позволяет использовать проводники большего диаметра. Так, в кабелях Mavros улучшение передачи низкочастотной информации (то есть звучание басов) достигается путем применения проводников увеличенного диаметра в изоляции из микропористого тефлона.

Термическое расширение цельного тефлона оказывает неблагоприятные механические воздействия на кабель, поскольку с расширением тефлона при нагревании может уменьшиться воздушный зазор между изоляцией кабеля и контактом разъема, что изменяет характеристики импеданса разъема. При применении микропористого тефлона, минимально расширяющегося при нагревании, эти эффекты практически несущественны.

Вышеописанные различия между микропористым и обычным тефлоном могут показаться незначительными, однако кумулятивный эффект этих маленьких различий приводит к ухудшению передачи аудиосигналов и не позволяет полностью раскрыть все нюансы музыкальных записей.

В нижеприведенной таблице приведены свойства ряда диэлектриков. Поливинилхлорид (PVC), хотя и не используется в кабелях Atlas, приведен для сравнения.

В нижеприведенной таблице приведены свойства ряда диэлектриков. Поливинилхлорид (PVC), хотя и не используется в кабелях Atlas, приведен для сравнения

Сравнение диэлектриков (диаметр 0,3 мм)

	Диэлектрик
Характеристики	Поливинилхлорид	Пористый полиэтилен	Полипропилен	Тефлон (ФЭП)	Микропористый тефлон (PTFE)
Диэлектрическая проницаемость (50-106 Гц)	4-8	2.3	2.25	2.1	1.3
Диэлектрическая прочность (кВ мм-1)	23-30	30-50	30-50	20-25	н/д
Тангенс угла потерь (в % при 50-106 Гц)	8-15	0. 02-0.05	0.02 — 0.06 (@ 106 Hz)	0.02-0.07	н/д
Объемное удельное сопротивление (Ом/см cm при 20°C)	1012-15	> 1017	6.5 x 1014	> 1016	н/д
Прочность на разрыв (кг/мм2)	1.0-2.5	1.0-2.0	3.0-4.0	1.9-2.2	1.0
Температура плавления (°C)	-130	112-120	155-160	275	275
Максимальная постоянная рабочая температура (°C)	60	75	90	200	260
Минимальная рабочая температура (°C)	от -15 до -40	<-60	от -5 до -45	<-60	-250

Поставщики беспроводных радиочастот и ресурсы

Веб-сайт RF Wireless World является домом для поставщиков и ресурсов RF и Wireless. На сайте представлены статьи, учебные пособия, поставщики, терминология, исходный код (VHDL, Verilog, MATLAB, Labview), тесты и измерения, калькуляторы, новости, книги, загрузки и многое другое.

Сайт RF Wireless World охватывает ресурсы по различным темам, таким как RF, беспроводная связь, vsat, спутник, радар, оптоволокно, микроволновая печь, wimax, wlan, zigbee, LTE, 5G NR, GSM, GPRS, GPS, WCDMA, UMTS, TDSCDMA, Bluetooth, Lightwave RF, z-wave, Интернет вещей (IoT), M2M, Ethernet и т. д. Эти ресурсы основаны на стандартах IEEE и 3GPP. Он также имеет академический раздел, который охватывает колледжи и университеты по инженерным дисциплинам и дисциплинам MBA.

Статьи о системах на основе IoT

Система обнаружения падений для пожилых людей на основе IoT : В статье рассматривается архитектура системы обнаружения падений, используемой для пожилых людей. В нем упоминаются преимущества или преимущества системы обнаружения падения IoT. Подробнее➤
См. также другие статьи о системах на основе IoT:
• Система очистки туалетов AirCraft. • Система измерения удара при столкновении • Система отслеживания скоропортящихся продуктов и овощей • Система помощи водителю • Система умной розничной торговли • Система мониторинга качества воды • Система интеллектуальной сети • Умная система освещения на основе Zigbee • Умная система парковки на базе Zigbee • Умная система парковки на базе LoRaWAN.

---

Радиочастотные беспроводные изделия

Этот раздел статей охватывает статьи о физическом уровне (PHY), уровне MAC, стеке протоколов и сетевой архитектуре на основе WLAN, WiMAX, zigbee, GSM, GPRS, TD-SCDMA, LTE, 5G NR, VSAT, Gigabit Ethernet на основе IEEE/3GPP и т. д. , стандарты. Он также охватывает статьи, связанные с испытаниями и измерениями, посвященные испытаниям на соответствие, используемым для испытаний устройств на соответствие RF/PHY. СМ. УКАЗАТЕЛЬ СТАТЕЙ >>.

---

Физический уровень 5G NR : Обработка физического уровня для канала 5G NR PDSCH и канала 5G NR PUSCH была рассмотрена поэтапно. Это описание физического уровня 5G соответствует спецификациям физического уровня 3GPP. Подробнее➤

---

Основные сведения о повторителях и типы повторителей : В нем объясняются функции различных типов повторителей, используемых в беспроводных технологиях. Подробнее➤

---

Основы и типы замираний : В этой статье рассматриваются мелкомасштабные замирания, крупномасштабные замирания, медленные замирания, быстрые замирания и т. д., используемые в беспроводной связи. Подробнее➤

---

Архитектура сотового телефона 5G : В этой статье рассматривается блок-схема сотового телефона 5G с внутренними модулями 5G. Архитектура сотового телефона. Подробнее➤

---

Основы помех и типы помех: В этой статье рассматриваются помехи по соседнему каналу, помехи в одном канале, Электромагнитные помехи, ICI, ISI, световые помехи, звуковые помехи и т. д. Подробнее➤

---

Раздел 5G NR

В этом разделе рассматриваются функции 5G NR (новое радио), нумерология, диапазоны, архитектура, развертывание, стек протоколов (PHY, MAC, RLC, PDCP, RRC) и т. д. 5G NR Краткий справочный указатель >>
• Мини-слот 5G NR • Часть полосы пропускания 5G NR • БАЗОВЫЙ НАБОР 5G NR • Форматы 5G NR DCI • 5G NR UCI • Форматы слотов 5G NR • IE 5G NR RRC • 5G NR SSB, SS, PBCH • 5G NR PRACH • 5G NR PDCCH • 5G NR PUCCH • Опорные сигналы 5G NR • 5G NR m-Sequence • Золотая последовательность 5G NR • 5G NR Zadoff Chu Sequence • Физический уровень 5G NR • MAC-уровень 5G NR • Уровень 5G NR RLC • Уровень PDCP 5G NR

---

Учебники по беспроводным технологиям

В этом разделе рассматриваются учебные пособия по радиочастотам и беспроводным сетям. Он охватывает учебные пособия по таким темам, как сотовая связь, WLAN (11ac, 11ad), wimax, bluetooth, zigbee, zwave, LTE, DSP, GSM, GPRS, GPS, UMTS, CDMA, UWB, RFID, радар, VSAT, спутник, беспроводная сеть, волновод, антенна, фемтосота, тестирование и измерения, IoT и т. д. См. ИНДЕКС УЧЕБНЫХ ПОСОБИЙ >>

---

Учебное пособие по 5G — В этом учебном пособии по 5G также рассматриваются следующие подтемы, посвященные технологии 5G:
Учебник по основам 5G Диапазоны частот учебник по миллиметровым волнам Рамка волны 5G мм Зондирование канала миллиметровых волн 5G 4G против 5G Испытательное оборудование 5G Архитектура сети 5G Сетевые интерфейсы 5G NR звучание канала Типы каналов 5G FDD против TDD Нарезка сети 5G NR Что такое 5G NR Режимы развертывания 5G NR Что такое 5G ТФ

---

В этом учебнике GSM рассматриваются основы GSM, сетевая архитектура, сетевые элементы, системные спецификации, приложения, Типы пакетов GSM, структура кадров GSM или иерархия кадров, логические каналы, физические каналы, Физический уровень GSM или обработка речи, вход в сеть мобильного телефона GSM или настройка вызова или процедура включения питания, Вызов MO, вызов MT, модуляция VAMOS, AMR, MSK, GMSK, физический уровень, стек протоколов, основы мобильного телефона, Планирование RF, нисходящая линия связи PS и восходящая линия связи PS.
➤Читать дальше.

LTE Tutorial , описывающий архитектуру системы LTE, включая основы LTE EUTRAN и LTE Evolved Packet Core (EPC). Он предоставляет ссылку на обзор системы LTE, радиоинтерфейс LTE, терминологию LTE, категории LTE UE, структуру кадра LTE, физический уровень LTE, Стек протоколов LTE, каналы LTE (логические, транспортные, физические), пропускная способность LTE, агрегация несущих LTE, Voice Over LTE, расширенный LTE, Поставщики LTE и LTE vs LTE advanced.➤Подробнее.

---

Радиочастотные технологии Материал

На этой странице мира беспроводных радиочастот описывается пошаговое проектирование преобразователя частоты на примере повышающего преобразователя частоты 70 МГц в диапазон C. для микрополосковой платы с использованием дискретных радиочастотных компонентов, а именно. Смесители, гетеродин, MMIC, синтезатор, опорный генератор OCXO, амортизирующие прокладки. ➤Читать дальше.
➤ Проектирование и разработка РЧ приемопередатчика ➤Дизайн радиочастотного фильтра ➤Система VSAT ➤Типы и основы микрополосковых ➤Основы волновода

---

Секция испытаний и измерений

В этом разделе рассматриваются ресурсы по контролю и измерению, контрольно-измерительное оборудование для тестирования тестируемых устройств на основе Стандарты WLAN, WiMAX, Zigbee, Bluetooth, GSM, UMTS, LTE. ИНДЕКС испытаний и измерений >>
➤Система PXI для контрольно-измерительных приборов. ➤ Генерация и анализ сигналов ➤ Измерения физического уровня ➤ Тестирование устройства WiMAX на соответствие ➤ Тест на соответствие Zigbee ➤ Тест на соответствие LTE UE ➤ Тест на соответствие TD-SCDMA

---

Волоконно-оптические технологии

Волоконно-оптический компонент основы, включая детектор, оптический соединитель, изолятор, циркулятор, переключатели, усилитель, фильтр, эквалайзер, мультиплексор, разъемы, демультиплексор и т. д. Эти компоненты используются в оптоволоконной связи. ИНДЕКС оптических компонентов >>
➤Руководство по оптоволоконной связи ➤APS в SDH ➤Основы SONET ➤ Структура кадра SDH ➤ SONET против SDH

---

Поставщики беспроводных радиочастот, производители

Сайт RF Wireless World охватывает производителей и поставщиков различных радиочастотных компонентов, систем и подсистем для ярких приложений, см. ИНДЕКС поставщиков >>.

Поставщики ВЧ-компонентов, включая ВЧ-изолятор, ВЧ-циркулятор, ВЧ-смеситель, ВЧ-усилитель, ВЧ-адаптер, ВЧ-разъем, ВЧ-модулятор, ВЧ-трансивер, PLL, VCO, синтезатор, антенну, осциллятор, делитель мощности, сумматор мощности, фильтр, аттенюатор, диплексер, дуплексер, чип-резистор, чип-конденсатор, чип-индуктор, ответвитель, ЭМС, программное обеспечение RF Design, диэлектрический материал, диод и т. д. Поставщики радиочастотных компонентов >>
➤Базовая станция LTE ➤ РЧ-циркулятор ➤РЧ-изолятор ➤Кристаллический осциллятор

---

MATLAB, Labview, Embedded Исходные коды

Раздел исходного кода RF Wireless World охватывает коды, связанные с языками программирования MATLAB, VHDL, VERILOG и LABVIEW. Эти коды полезны для новичков в этих языках. СМОТРИТЕ ИНДЕКС ИСТОЧНИКОВ >>
➤ 3–8 код декодера VHDL ➤Скремблер-дескремблер Код MATLAB ➤32-битный код ALU Verilog ➤ T, D, JK, SR триггер коды labview

*Общая медицинская информация*

Сделайте эти пять простых вещей, чтобы помочь остановить коронавирус (COVID-19).
ВЫПОЛНИТЕ ПЯТЬ
1. РУКИ: Мойте их чаще
2. ЛОКТ: кашляйте в него
3. ЛИЦО: Не прикасайтесь к нему
4. НОГИ: Держитесь на расстоянии более 3 футов (1 м) друг от друга
5. ЧУВСТВУЙТЕ: Болен? Оставайтесь дома

Используйте технологию отслеживания контактов >> , следуйте рекомендациям по социальному дистанцированию >> и установить систему наблюдения за данными >> спасти сотни жизней. Использование концепции телемедицины стало очень популярным в таких стран, как США и Китай, чтобы остановить распространение COVID-19так как это заразное заболевание.

---

Радиочастотные калькуляторы и преобразователи

Раздел «Калькуляторы и преобразователи» охватывает ВЧ-калькуляторы, беспроводные калькуляторы, а также преобразователи единиц измерения. Они охватывают беспроводные технологии, такие как GSM, UMTS, LTE, 5G NR и т. д. СМ. КАЛЬКУЛЯТОРЫ Указатель >>.
➤Калькулятор пропускной способности 5G NR ➤ 5G NR ARFCN и преобразование частоты ➤ Калькулятор скорости передачи данных LoRa ➤ LTE EARFCN для преобразования частоты ➤ Калькулятор антенны Yagi ➤ Калькулятор времени выборки 5G NR

---

IoT-Интернет вещей Беспроводные технологии

В разделе, посвященном IoT, рассматриваются беспроводные технологии Интернета вещей, такие как WLAN, WiMAX, Zigbee, Z-wave, UMTS, LTE, GSM, GPRS, THREAD, EnOcean, LoRa, SIGFOX, WHDI, Ethernet, 6LoWPAN, RF4CE, Bluetooth, Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE), NFC, RFID, INSTEON, X10, KNX, ANT+, Wavenis, Dash7, HomePlug и другие. Он также охватывает датчики IoT, компоненты IoT и компании IoT.
См. главную страницу IoT>> и следующие ссылки.
➤РЕЗЬБА ➤EnOcean ➤ Учебник LoRa ➤ Учебник по SIGFOX ➤ WHDI ➤6LoWPAN ➤Зигби RF4CE ➤NFC ➤Лонворкс ➤CEBus ➤УПБ

СВЯЗАННЫЕ ПОСТЫ

Учебники по беспроводным радиочастотам

GSM ТД-СКДМА ваймакс LTE UMTS GPRS CDMA SCADA беспроводная локальная сеть 802.11ac 802.11ad GPS Зигби z-волна Bluetooth СШП Интернет вещей Т&М спутник Антенна РАДАР RFID

Различные типы датчиков

Датчик приближения Датчик присутствия против датчика движения Датчик LVDT и RVDT Датчик положения, смещения и уровня датчик силы и датчик деформации Датчик температуры датчик давления Датчик влажности датчик МЭМС Сенсорный датчик Тактильный датчик Беспроводной датчик Датчик движения Датчик LoRaWAN Световой датчик Ультразвуковой датчик Датчик массового расхода воздуха Инфразвуковой датчик Датчик скорости Датчик дыма Инфракрасный датчик Датчик ЭДС Датчик уровня Активный датчик движения против пассивного датчика движения

Поделиться этой страницей

Перевести эту страницу

СТАТЬИ Раздел T&M ТЕРМИНОЛОГИИ Учебники Работа и карьера ПОСТАВЩИКИ Интернет вещей Онлайн калькуляторы исходные коды ПРИЛОЖЕНИЕ. ЗАМЕТКИ Всемирный веб-сайт T&M  

Емкость и диэлектрики — информационная Общая физика

электрический потенциал. Емкость также подразумевает связанное с ней хранение электрической энергии. При переносе электрического заряда между двумя первоначально незаряженными проводниками оба становятся одинаково заряженными, один положительно, другой отрицательно, и между ними устанавливается разность потенциалов. Емкость C представляет собой отношение количества заряда q на любом проводнике к разности потенциалов V между проводниками, или просто C = q/V. Как в практической, так и в научной системе метр-килограмм-секунда единицей электрического заряда является кулон, а единицей разности потенциалов — вольт, так что единицей измерения емкости, называемой фарад (обозначается символом F), – один кулон на вольт. Один фарад — очень большая емкость. Обычно используются удобные подразделения: одна миллионная часть фарада, называемая микрофарад (мкФ), и одна миллионная часть микрофарада, называемая пикофарад (пФ; старый термин, микромикрофарад, мкФ). В электростатической системе единиц емкость имеет размерность расстояния. Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео о емкости и диэлектриках Емкость в электрических цепях преднамеренно вводится с помощью устройства, называемого конденсатором. Он был открыт прусским ученым Эвальдом Георгом фон Клейстом в 1745 году и независимо голландским физиком Питером ван Мушенбруком примерно в то же время в процессе исследования электростатических явлений. Они обнаружили, что электричество, полученное от электростатической машины, может накапливаться в течение определенного периода времени, а затем высвобождаться. Устройство, которое стало известно как лейденская банка, состояло из закрытого пробкой стеклянного флакона или банки, наполненной водой, с гвоздем, протыкающим пробку и погружаемым в воду. Держа банку в руке и прикасаясь гвоздем к проводнику электростатической машины, они обнаружили, что от гвоздя можно получить удар после его отсоединения, касаясь его свободной рукой. Эта реакция показала, что часть электричества от машины была сохранена. Простой, но фундаментальный шаг в эволюции конденсатора был сделан английским астрономом Джоном Бевисом в 1747 году, когда он заменил воду металлической фольгой, образуя подкладку на внутренней поверхности стекла и другую, покрывающую внешнюю поверхность. Эта форма конденсатора с проводником, выступающим из горлышка банки и касающимся облицовки, имела в качестве основных физических особенностей два проводника протяженной площади, почти одинаково разделенных изолирующим или диэлектрическим слоем, сделанным настолько тонким, насколько это практически возможно. Эти особенности были сохранены в каждой современной форме конденсатора. Таким образом, конденсатор, также называемый конденсатором, представляет собой сэндвич из двух пластин проводящего материала, разделенных изолирующим материалом или диэлектриком. Его основная функция заключается в хранении электрической энергии. Конденсаторы различаются размерами и геометрическим расположением пластин, а также видом используемого диэлектрического материала. Отсюда и такие названия, как слюдяные, бумажные, керамические, воздушные и электролитические конденсаторы. Их емкость может быть фиксированной или регулируемой в диапазоне значений для использования в схемах настройки. Энергия, накопленная конденсатором, соответствует работе, выполненной (например, батареей) по созданию противоположных зарядов на двух пластинах при приложенном напряжении. Количество заряда, которое может быть сохранено, зависит от площади пластин, расстояния между ними, диэлектрического материала в пространстве и приложенного напряжения. Конденсатор, включенный в цепь переменного тока (AC), заряжается и разряжается попеременно каждый полупериод. Таким образом, время, доступное для зарядки или разрядки, зависит от частоты тока, и если требуемое время превышает длину полупериода, поляризация (разделение заряда) не завершена. В таких условиях диэлектрическая проницаемость оказывается меньше, чем наблюдаемая в цепи постоянного тока, и изменяется в зависимости от частоты, становясь ниже на более высоких частотах. При смене полярности пластин заряды должны смещаться через диэлектрик сначала в одну, а затем в другую сторону, и преодоление противодействия, с которым они сталкиваются, приводит к выделению тепла, известному как диэлектрические потери, характеристика, которую необходимо учитывать. следует учитывать при применении конденсаторов в электрических цепях, например, в радио- и телевизионных приемниках. Диэлектрические потери зависят от частоты и материала диэлектрика. За исключением утечки (обычно небольшой) через диэлектрик, через конденсатор не протекает ток, когда он находится под постоянным напряжением. Однако переменный ток проходит легко и называется током смещения (см.). Диэлектрик , изоляционный материал или очень плохой проводник электрического тока. Когда диэлектрики помещаются в электрическое поле, в них практически не течет ток, потому что, в отличие от металлов, в них нет слабо связанных или свободных электронов, которые могут дрейфовать через материал. Вместо этого возникает электрическая поляризация. Положительные заряды внутри диэлектрика смещаются незначительно в направлении электрического поля, а отрицательные заряды смещаются незначительно в направлении, противоположном электрическому полю. Это небольшое разделение зарядов или поляризация уменьшает электрическое поле внутри диэлектрика. Наличие диэлектрического материала влияет на другие электрические явления. Сила между двумя электрическими зарядами в диэлектрической среде меньше, чем в вакууме, а количество энергии, запасенной в электрическом поле на единицу объема диэлектрической среды, больше. Емкость конденсатора, заполненного диэлектриком, больше, чем в вакууме. Влияние диэлектрика на электрические явления описывается в большом или макроскопическом масштабе с использованием таких понятий, как диэлектрическая проницаемость, диэлектрическая проницаемость (qqv) и поляризация (см. Электрическая поляризация).

2.

5: Диэлектрики — Физика LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

17358

• Том Вайдеман
• Калифорнийский университет, Дэвис

Поляризация

До сих пор мы помещали все вещества в одну из двух категорий — изоляторы и проводники — различающиеся тем, удерживают ли они заряды полностью фиксированными или позволяют им полностью свободно перемещаться. Что ж, наверное, неудивительно, что в действительности вещества обычно находятся между этими двумя крайностями. Сейчас мы сосредоточимся на изоляционной стороне спектра. Представьте себе вещество, которое не позволяет зарядам перемещаться, куда им заблагорассудится, но позволяет атомам или молекулам, связывающим эти заряды, изменять свою форму. Такие вещества называются диэлектрики , и они на самом деле обеспечивают эффект, аналогичный тому, который наблюдается в проводниках, хотя он недостаточно экстремальный, чтобы полностью нейтрализовать поле.

Начните с пластины нейтрально заряженного диэлектрика, расположенной между двумя нейтрально заряженными проводящими пластинами. Если пластины затем заряжены, электрическое поле, создаваемое между двумя пластинами, тянет заряды в диэлектрике в противоположных направлениях. Внутри диэлектрика положительные и отрицательные заряды просто объединяются в пары по-разному, оставляя постоянный нейтральный заряд. Но на поверхностях разделенные заряды не объединяются в пары с противоположными, оставляя суммарный заряд на двух поверхностях диэлектрика, называемый 9.0253 поляризационный заряд .

Рисунок 2.5.1 – Создание поляризационного заряда на диэлектрике они продолжали поляризоваться до тех пор, пока поле net не исчезло внутри проводника. В случае диэлектриков заряды перестают смещаться задолго до того, как поле поляризационного заряда сможет нейтрализовать поле свободного заряда, а это означает, что в конце концов внутри диэлектрика все еще остается чистое поле.

Для геометрии с параллельными пластинами на рисунке выше чистое поле легко вычислить по свободному и поляризационному зарядам, поскольку они оба являются плоскостями. Точно так же мы можем найти результирующее поле в случае диэлектрика внутри конденсатора из концентрических проводящих цилиндров. Но все становится слишком сложным, когда поверхность диэлектрика не ортогональна внешнему полю, поэтому мы будем рассматривать только эти более простые геометрии. Кроме того, мы предположим, что весь диэлектрик состоит из одного и того же материала — количество зарядов, которое они могут разделить, зависит от молекул, поэтому они должны быть одинаковыми во всем образце.

С учетом этих ограничений мы можем заключить, что поле, вызванное поляризационным зарядом (называемое полем поляризации ), направлено в сторону, противоположную приложенному полю, и поскольку приложенное поле всегда сильнее, мы можем написать:

\[\left|\overrightarrow E_{всего}\right| = \left|\overrightarrow E_{применяется}\right| — \left|\overrightarrow E_{поляризация}\right| \]

Понятно, что увеличение силы приложенного поля сильнее притягивает заряды в диэлектрике и должно увеличивать поляризационный заряд. Мы делаем дальнейшее предположение (подтвержденное экспериментально, пока приложенное поле не слишком велико), что если мы удвоим напряженность поля, поле поляризации также удвоится. То есть поле поляризации пропорционально приложенному полю. Сочетание этого с приведенным выше уравнением означает, что приложенное поле пропорционально полному полю и направлено в том же направлении (при более сильном приложенном поле), и мы напишем константу пропорциональности, называемую диэлектрическая проницаемость в виде строчной греческой буквы каппа:

\[\каппа \эквив \dfrac{\left|\overrightarrow E_{applied}\right|}{\left|\overrightarrow E_{total}\right| } \]

Обратите внимание, что эта константа безразмерна, больше или равна 1. Она равна 1 для вакуума (где нет зарядов для поляризации) или идеального изолятора (который вообще не допускает движения зарядов). ).

Воздействие на конденсаторы

Как можно догадаться по рисунку, диэлектрики чаще всего применяются в конденсаторах. Как влияет на емкость присутствие этого вещества? При одинаковых зарядах на пластинах поляризационный заряд уменьшает электрическое поле между пластинами по сравнению с вакуумным случаем, поэтому разность потенциалов уменьшается. При меньшем напряжении при том же заряде на обкладках емкость равна 9{пластина\;B}\frac{1}{\kappa}\overrightarrow E_{применяется}\cdot \overrightarrow{dl}} = \kappa\dfrac{Q_{на\;пластинах}}{\Delta V_{вакуум} }=\kappa C_{vacuum}\]

Несколько разделов назад мы отмечали, что основное назначение конденсатора — хранить электрическую потенциальную энергию. Давайте теперь рассмотрим, что происходит с потенциальной энергией, когда диэлектрик добавляется в конденсатор или удаляется из него. Добавление диэлектрика увеличивает емкость, а удаление уменьшает. Отсюда мы можем следовать вычислениям, выполненным в примере 2.4.1. Там было отмечено, что изменение энергии зависит от того, что остается постоянным при изменении емкости — заряд на обкладках или разность потенциалов, и это надо учитывать и здесь. Единственное отличие здесь состоит в том, что емкость изменяется в результате изменения диэлектрической проницаемости, а не изменения расстояния между пластинами.

Общий результат тот же — с увеличением емкости при введении диэлектрика потенциальная энергия увеличивается, если разность потенциалов удерживается фиксированной, и уменьшается, если пластины вынуждены сохранять один и тот же заряд. Но в приведенном примере изменения энергии учитывались с учетом работы, совершаемой при разделении пластин. Здесь расстояние между пластинами не меняется, поэтому, если работа не совершается, как мы можем объяснить, откуда и куда уходит энергия?

Ну, на самом деле там это работы по удалению или вставке диэлектрика. Мы можем увидеть это, посмотрев на то, как должна выглядеть система, когда диэлектрик вставлен частично. Поляризационный заряд на поверхности диэлектрика, находящейся между пластинами, будет притягиваться к свободному заряду на части пластин, которые еще разделены вакуумом:

Диэлектрик

Чтобы вытащить диэлектрик из конденсатора, необходимо добавить работу в систему (эквивалентно увеличению расстояния между пластинами в примере 2. 4.1), в то время как вытягивание диэлектрика в конденсатор приводит к удалению энергии из системе в виде работы над диэлектриком. Этот анализ можно выполнить «в обратном порядке», чтобы определить силу, действующую на частично вставленный диэлектрик со стороны конденсатора. В Физике 9А мы узнали, что сила, вызванная полем потенциальной энергии, равна отрицательному значению градиента потенциальной энергии (см. Физика 9).Либретекст, раздел 3.6):

\[\overrightarrow F = -\overrightarrow\nabla U\]

Изменение происходит только параллельно пластинам, которые мы будем называть \(y\)-направлением, так что это упрощает всего на один компонент:

\[ F_y = -\dfrac{dU}{dy} \]

Когда диэлектрик перемещается в пластины на небольшое дополнительное расстояние \(dy\), потенциальная энергия системы изменяется. Насколько она изменится, опять-таки зависит от того, остается ли заряд на пластинах или разность потенциалов постоянными во время процесса (зависимость выполненной работы от того, какая величина поддерживается постоянной, также характерна для примера 2. 4.1). Таким образом, все, что нужно сделать, это записать потенциальную энергию конденсатора в любом положении, в котором находится диэлектрик, пересчитать ее для диэлектрика, помещенного на дополнительное расстояние \(dy\), взять разницу, чтобы получить \(dU\), затем разделить на \(dy\). Важной частью этого процесса является то, что конденсатор с частично вставленным диэлектриком эквивалентен двум отдельным конденсаторам, один с вакуумом между пластинами, а другой с диэлектриком между ними. Полная энергия системы представляет собой сумму энергии в этих двух конденсаторах, и нужно иметь в виду, что, поскольку каждая пластина является эквипотенциальной, разность потенциалов между двумя пластинами для двух отдельных конденсаторов одинакова.

Диэлектрическая проницаемость

Одним из способов учета диэлектрической проницаемости является другая константа, с которой мы уже знакомы. Чтобы увидеть это, рассмотрим, как изменяется емкость плоского конденсатора, содержащего вакуум, при введении диэлектрика:

\[C_{vacuum} = \dfrac{A\epsilon_o}{d} \;\;\;\Rightarrow \;\;\; C_{диэлектрик} = \каппа\dfrac{A\epsilon_o}{d}= \dfrac{A\epsilon}{d}\;,\;\;\; где:\;\;\epsilon\equiv\kappa\epsilon_o\]

Наконец-то становится ясно, почему индекс «о» использовался до сих пор: «о» относится к вакууму, поэтому его называют диэлектрическая проницаемость свободное место . Величина \(\эпсилон\) (без нижнего индекса) называется просто диэлектрической проницаемостью диэлектрика. Преимущество этого определения состоит в том, что оно избавляет нас от необходимости повторно получать все результаты, где мы использовали \(\epsilon_o\) ранее для случаев, когда речь идет о диэлектрической среде. Оказывается, мы можем просто вслепую заменить постоянную свободного пространства на константу диэлектрика, и все результаты останутся теми же. Однако здесь следует иметь в виду одну важную деталь.

Мы ввели диэлектрическую проницаемость, а затем диэлектрическую проницаемость, чтобы не учитывать поляризационный заряд. То есть емкость с диэлектриком по-прежнему удовлетворяет \(Q=CV\), где \(Q\) — заряд на пластинах, а не комбинация заряда на пластинах с поляризационным зарядом . Везде, где мы используем диэлектрическую проницаемость, должно соблюдаться требование учитывать только свободный заряд (присутствующий заряд, исключающий заряд поляризации). Ниже приводится важный пример соблюдения этого требования.

Закон Гаусса в средах

Рассмотрим случай использования закона Гаусса для определения электрического поля вблизи поверхности проводящей плоскости, как мы это сделали на рис. 1.7.2, но на этот раз с диэлектрической средой, находящейся снаружи проводящей поверхности.

Рисунок 2.5.3 — Гауссовая поверхность для проводящей поверхности вблизи диэлектрического

на этой гауссовой поверхности на ноа -кондиционировании на ноа -кондиционировании на ноа -кондиционировании на ноа -кондиционировании на ноа -кондонизируемой на ноа -самих. поверхность диэлектрика. Чистый поток от гауссовой поверхности (весь поток проходит через левую сторону показанной поверхности) ниже, чем он был бы без диэлектрика, потому что поляризационный заряд компенсирует часть свободного заряда. Различие в потоках происходит исключительно из-за различия в электрическом поле, которое мы уже знаем, как выразить:

\[\Phi_{с\;диэлектриком} = E_{общий}A = \frac{1}{\kappa} E_{приложенный}A = \frac{1}{\kappa} \Phi_{без\;диэлектрика } = \dfrac{\epsilon_o}{\epsilon}\Phi_{без\;диэлектрик}\]

Согласно закону Гаусса поток без диэлектрика равен \(\frac{Q_{plate}}{\epsilon_o} \), поэтому мы можем выразить закон Гаусса в терминах свободного заключенного заряда, а не полного заключенного заряда, используя диэлектрическую проницаемость:

\[ \oint \overrightarrow E\cdot d\overrightarrow A = \dfrac{Q_{free} {\ эпсилон} \] 92\]

Пример \(\PageIndex{1}\)

Точечный заряд зафиксирован в среде с диэлектрической проницаемостью, равной 2, вблизи большой проводящей плоскости. Если диэлектрик теперь удален, опишите, как изменяются следующие величины:

1. сила, действующая на точечный заряд проводника
2. заряд, индуцированный на поверхности проводника

Решение

а. Электрическое поле одинаково в обоих случаях, за исключением значения диэлектрической проницаемости, которая вдвое больше, когда диэлектрик есть, чем когда его нет. Это ослабляет электрическое поле точечного заряда в 2 раза. Таким образом, индуцированный заряд на проводящей поверхности реагирует созданием эквивалентного поля, как если бы оно исходило от заряда изображения. Это более слабое индуцированное поле приводит к тому, что на точечный заряд действует сила, вдвое меньшая, чем при отсутствии диэлектрика.

б. Заряд, индуцированный на поверхности проводника, равен отрицательному точечному заряду независимо от того, присутствует диэлектрик или нет. Мы можем доказать это несколькими способами. Проще всего отметить, что третий закон Ньютона требует, чтобы если сила, действующая на точечный заряд, вдвое меньше, чем на диэлектрик, то сила, действующая на проводник, также вдвое меньше. Но поле точечного заряда вдвое меньше, поэтому заряд, на который действует это поле, не должен изменяться.

Второй способ показать это — отметить, что электрическое поле на поверхности проводника с точки зрения плотности заряда:

\[E = \dfrac{\sigma_{free}}{\epsilon}\nonumber\]

Мы уже знаем, что поле в два раза меньше с диэлектриком, и поскольку \(\epsilon=2\epsilon_o\), плотность заряда должна быть одинаковой в обоих случаях.

---

Эта страница под названием 2.5: Диэлектрики распространяется под лицензией CC BY-SA 4.0 и была создана, изменена и/или курирована Томом Вайдеманом непосредственно на платформе LibreTexts.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или страница

   Автор

   Том Вайдеман

   Лицензия

   СС BY-SA

   Версия лицензии

   4,0

   Показать оглавление

   нет

2. Теги

   1. диэлектрическая проницаемость
   2. диэлектрики
   3. поляризационный заряд
   4. источник@родной

Является ли диэлектрик проводником?

Вопрос задан: Китти Кухич

Оценка: 4,5/5 (6 голосов)

диэлектрик, изоляционный материал или очень плохой проводник электрического тока . Когда диэлектрики помещаются в электрическое поле, в них практически не течет ток, потому что, в отличие от металлов, в них нет слабо связанных или свободных электронов, которые могут дрейфовать через материал.

Является ли диэлектрик изолятором?

Диэлектрик — это в основном материал с плохой электропроводностью, но обладающий способностью накапливать электрический заряд. Их в основном просто изоляторы, не содержащие в себе свободных электронов . При приложении к ним электрического поля диэлектрики легко поляризуются.

Являются ли диэлектрики непроводниками?

С другой стороны, диэлектрики — это изоляторы, которые могут быть поляризованы . Когда диэлектрический материал находится в электрическом поле, заряды не начинают течь, как в проводниках, вместо этого электронные облака и ядро ​​немного смещаются в противоположных направлениях.

В чем разница между диэлектриком и проводником?

проводник: Материал, содержащий подвижные электрические заряды. диэлектрик: Электроизолирующий или непроводящий материал, рассматриваемый в связи с его электрической восприимчивостью (т. е. его свойством поляризации при воздействии внешнего электрического поля).

Проводят ли диэлектрики электричество?

Движение или поток электрически заряженных частиц через среду называется электропроводностью. … Итак, вы можете видеть, что диэлектрик не имеет свободных зарядов и, следовательно, является плохим проводником электричества, по сути, это изолятор. Итак, нет, диэлектрик не может проводить электричество.

Проводник и диэлектрик-I

Найдено 37 связанных вопросов

Как диэлектрик можно превратить в проводник?

Пояснение: При повышении температуры свободные электроны в изоляторе могут перейти из валентной зоны в зону проводимости. Постепенно он может действовать как проводник в процессе нагрева . Это состояние называется пробоем диэлектрика, при котором изолятор теряет свои диэлектрические свойства и начинает проводить ток.

Оправданы ли диэлектрики хорошим проводником электричества?

Диэлектрик, изоляционный материал или очень плохой проводник электрического тока. Когда диэлектрики помещаются в электрическое поле, в них практически не течет ток, потому что, в отличие от металлов, в них нет слабо связанных или свободных электронов, которые могут дрейфовать через материал.

Что такое диэлектрическая проницаемость проводника?

Диэлектрическая проницаемость проводника (металла) бесконечность в том смысле, что когда металл помещается между двумя параллельными пластинами в конденсаторе.

Чем диэлектрические вещества отличаются от проводящих веществ?

Проводящие материалы эффективно проводят электрический ток , а диэлектрики обладают высокими изоляционными свойствами в дополнение к способности накапливать электрическую энергию. Проводящие и диэлектрические материалы необходимы во всех электрических и электронных системах и оборудовании.

Что делает диэлектрик?

Диэлектрики в конденсаторах служат трем целям: предотвращают соприкосновение проводящих пластин , что позволяет уменьшить расстояние между пластинами и, следовательно, повысить емкость; увеличить эффективную емкость за счет уменьшения напряженности электрического поля, а значит получить тот же заряд при меньшем напряжении; а также.

Почему диэлектрик не называется изолятором?

Материал, накапливающий электрическую энергию в электрическом поле, известен как диэлектрический материал, тогда как 9Материал 0003, который блокирует поток электронов , известен как изолятор. Диэлектрический материал поляризуется в присутствии электрического поля, тогда как изоляторы не поляризуются.

Увеличивает ли диэлектрик потенциальную энергию?

Вставка диэлектрика увеличивает емкость , уменьшая энергию, запасенную в конденсаторе. … Конденсатор действительно работает, втягивая диэлектрик между пластинами, уменьшая накопленную энергию.

Чем проводник отличается от непроводника?

В чем разница между проводниками и непроводниками? … Проводники пропускают через себя тепло и электричество . непроводники не пропускают через себя тепло и электричество. примерами проводника являются сталь, железо и т. д.

Почему изоляторы называются диэлектриками?

Диэлектрики — это материалы, которые не пропускают ток. Их чаще называют изоляторами , потому что они являются полной противоположностью проводникам . Но обычно когда люди называют изоляторы «диэлектриками», это потому, что они хотят привлечь внимание к особому свойству, присущему всем изоляторам: поляризуемости.

Являются ли металлы диэлектриками?

Диэлектрическая проницаемость металлов бесконечна . Диэлектрическая проницаемость металла бесконечна, поскольку результирующее электрическое поле внутри металла равно нулю. … По мере увеличения плотности электрического потока увеличивается диэлектрическая проницаемость.

Является ли вода диэлектриком?

Вода оказывается диэлектриком, потому что с ней связана диэлектрическая поляризация (это электрический диполь, высокополярная молекула и даже вращается, выравниваясь в направлении поля).

Какое свойство диэлектриков отличает их от проводников?

Проводники — это те, у которых есть свободные электроны для проведения электричества. Например, железо, графит, медь, ртуть и т. д. Тогда как диэлектрики не проводят электричество . Они могут создавать большую концентрацию заряда на поверхности, если их поместить в электрическое поле, но не имеют свободных носителей заряда.

Что понимается под диэлектрическим веществом?

Диэлектрический материал представляет собой вещество, которое является плохим проводником электричества , но эффективно поддерживает электростатическое поле s. … На практике большинство диэлектрических материалов твердые. Примеры включают фарфор (керамику), слюду, стекло, пластик и оксиды различных металлов.

Какова проводимость идеального диэлектрика?

Идеальный диэлектрик – это материал с нулевой электропроводностью (ср.

Может ли проводник обладать диэлектрическими свойствами?

Электрическое поле (E) внутри проводника всегда равно нулю в статической ситуации, поэтому диэлектрическая проницаемость проводник бесконечен .

Что такое чистый проводник

Идеальный проводник или идеальный электрический проводник (PEC) — это идеализированный материал, демонстрирующий бесконечную электрическую проводимость или, что то же самое, нулевое удельное сопротивление (ср. идеальный диэлектрик). … Одним из примеров является идеальная магнитогидродинамика, изучение идеально проводящих жидкостей.

Что вы подразумеваете под диэлектрической и диэлектрической поляризацией?

Диэлектрическая поляризация — это термин, которым обозначают поведение материала при воздействии на него внешнего электрического поля . Это происходит, когда дипольный момент формируется в изоляционном материале из-за приложенного извне электрического поля.

Что означает высокая диэлектрическая проницаемость?

Высокая диэлектрическая проницаемость позволяет генерировать большие электростатические силы, ответственные за напряжение и деформацию при срабатывании , в то время как прочность материала определяет упругую способность противостоять возникающим электростатическим силам.

При введении диэлектрика между проводниками электрическая напряженность?

Диэлектрик между проводниками снижает электрическую напряженность .

Какое электрическое поле в диэлектрике?

Электрическое поле E в диэлектрике равно полной поверхностной плотности заряда, деленной на ϵ0 . Ясно, что σpol и σfree имеют разные знаки, поэтому E=σfree−σpolϵ0.

Похожие вопросы

• 30Является ли диэлектрик хорошим проводником?
• 34Почему диэлектрики являются изоляторами?
• 24Запасают ли диэлектрики энергию?
• 40Для диэлектриков поток пропорционален?
• 37Что такое поляризация в диэлектриках?
• 20 Все ли изоляторы являются диэлектриками?
• 39 Когда диэлектрик помещают в электрическое поле?
• 39Что такое диэлектрик с точки зрения физики?
• 23Увеличивает ли диэлектрик емкость?
• 28Что такое тепловой пробой твердых диэлектриков?

Реклама

Популярные вопросы

• 29Где липкий поршень в майнкрафте?
• 35Арагорн и боромир братья?
• 38Насколько болезненно разрезание нервного окончания?
• 36Не повредит ли дизельному двигателю немного бензина?
• 25Как мыть волосы без потери цвета?
• 25Когда использовать скобки в грамматике?
• 35Что такое горшок для выращивания?
• 42Почему так хороши оливки?
• 16Фриск будет в смэше?
• 19Безопасен ли саридон для кормящих матерей?

ЕМКОСТЬ ДВУМЕРНЫХ СИСТЕМ ПРОВОДНИКОВ И ДИЭЛЕКТРИКОВ С КРУГОВЫМИ ГРАНИЦАМИ | Ежеквартальный математический журнал

Фильтр поиска панели навигации The Quarterly Journal of MathematicsЭтот выпускPure MathematicsBooksJournalsOxford Academic Термин поиска мобильного микросайта

Закрыть

Фильтр поиска панели навигации The Quarterly Journal of MathematicsЭтот выпускPure MathematicsBooksJournalsOxford Academic Термин поиска на микросайте

Расширенный поиск

Журнальная статья

Получить доступ

Дж. В. Крэггс,

Дж. У. Крэггс

Ищите другие работы этого автора на:

Оксфордский академический

Google ученый

Си Джей Трантер

Си Джей Трантер

Ищите другие работы этого автора на:

Оксфордский академический

Google ученый

The Quarterly Journal of Mathematics , том os-17, выпуск 1, 1946, страницы 138–144, https://doi.org/10.1093/qmath/os-17.1.138

Опубликовано:

01 января 1946 г.

История статьи

Получено:

18 июля 1945 г.

Опубликовано:

01 января 1946 г.

Фильтр поиска панели навигации The Quarterly Journal of MathematicsЭтот выпускPure MathematicsBooksJournalsOxford Academic Термин поиска мобильного микросайта

Закрыть

Фильтр поиска панели навигации The Quarterly Journal of MathematicsЭтот выпускPure MathematicsBooksJournalsOxford Academic Термин поиска на микросайте

Расширенный поиск

Предварительный просмотр первой страницы статьи PDF

Закрыть

Этот контент доступен только в формате PDF.

© Oxford University Press

© Oxford University Press

Раздел выпуска:

Статьи

В настоящее время у вас нет доступа к этой статье.

Скачать все слайды

Войти

Получить помощь с доступом

Получить помощь с доступом

Доступ для учреждений

Доступ к контенту в Oxford Academic часто предоставляется посредством институциональных подписок и покупок. Если вы являетесь членом учреждения с активной учетной записью, вы можете получить доступ к контенту одним из следующих способов:

Доступ на основе IP

Как правило, доступ предоставляется через институциональную сеть к диапазону IP-адресов. Эта аутентификация происходит автоматически, и невозможно выйти из учетной записи с IP-аутентификацией.

Войдите через свое учреждение

Выберите этот вариант, чтобы получить удаленный доступ за пределами вашего учреждения. Технология Shibboleth/Open Athens используется для обеспечения единого входа между веб-сайтом вашего учебного заведения и Oxford Academic.

1. Нажмите Войти через свое учреждение.
2. Выберите свое учреждение из предоставленного списка, после чего вы перейдете на веб-сайт вашего учреждения для входа.
3. Находясь на сайте учреждения, используйте учетные данные, предоставленные вашим учреждением. Не используйте личную учетную запись Oxford Academic.
4. После успешного входа вы вернетесь в Oxford Academic.

Если вашего учреждения нет в списке или вы не можете войти на веб-сайт своего учреждения, обратитесь к своему библиотекарю или администратору.

Войти с помощью читательского билета

Введите номер своего читательского билета, чтобы войти в систему. Если вы не можете войти в систему, обратитесь к своему библиотекарю.

Члены общества

Доступ члена общества к журналу достигается одним из следующих способов:

Войти через сайт сообщества

Многие общества предлагают единый вход между веб-сайтом общества и Oxford Academic. Если вы видите «Войти через сайт сообщества» на панели входа в журнале:

1. Щелкните Войти через сайт сообщества.
2. При посещении сайта общества используйте учетные данные, предоставленные этим обществом. Не используйте личную учетную запись Oxford Academic.
3. После успешного входа вы вернетесь в Oxford Academic.

Если у вас нет учетной записи сообщества или вы забыли свое имя пользователя или пароль, обратитесь в свое общество.

Вход через личный кабинет

Некоторые общества используют личные аккаунты Oxford Academic для предоставления доступа своим членам. Смотри ниже.

Личный кабинет

Личную учетную запись можно использовать для получения оповещений по электронной почте, сохранения результатов поиска, покупки контента и активации подписок.

Некоторые общества используют личные аккаунты Oxford Academic для предоставления доступа своим членам.

Просмотр учетных записей, вошедших в систему

Щелкните значок учетной записи в правом верхнем углу, чтобы:

• Просмотр вашей личной учетной записи, в которой выполнен вход, и доступ к функциям управления учетной записью.
• Просмотр институциональных учетных записей, предоставляющих доступ.

Выполнен вход, но нет доступа к содержимому

Oxford Academic предлагает широкий ассортимент продукции. Подписка учреждения может не распространяться на контент, к которому вы пытаетесь получить доступ. Если вы считаете, что у вас должен быть доступ к этому контенту, обратитесь к своему библиотекарю.

Ведение счетов организаций

Для библиотекарей и администраторов ваша личная учетная запись также предоставляет доступ к управлению институциональной учетной записью. Здесь вы найдете параметры для просмотра и активации подписок, управления институциональными настройками и параметрами доступа, доступа к статистике использования и т. д.

Покупка

Стоимость подписки и заказ этого журнала

Варианты покупки книг и журналов в Oxford Academic

Кратковременный доступ

Чтобы приобрести краткосрочный доступ, войдите в свою учетную запись Oxford Academic выше.

У вас еще нет учетной записи Oxford Academic? регистр

ЕМКОСТЬ ДВУМЕРНЫХ СИСТЕМ ПРОВОДНИКОВ И ДИЭЛЕКТРИКОВ С КРУГОВЫМИ ГРАНИЦАМИ — Доступ 24 часа

ЕВРО €30,00

22 фунта стерлингов

39 долларов США.

Реклама

Цитаты

Альтметрика

Дополнительная информация о метриках

Оповещения по электронной почте

Оповещение об активности статьи

Предварительные уведомления о статьях

Оповещение о новой проблеме

Получайте эксклюзивные предложения и обновления от Oxford Academic

Ссылки на статьи по телефону

• Последний

• Самые читаемые

• Самые цитируемые

Гомотопические эпиморфизмы и производная ацикличность Тейта для коммутативных C ^* -алгебр

Подвыпуклость в неоднородных системах Виноградова

Широкие моменты L-функций II: L-функции Дирихле

Вполне несвязные полугрупповые компактификации топологических групп

Варианты решета Сельберга и почти простых K-кортежей

Реклама

электростатика — Что такое диэлектрическая проницаемость чистого проводника?

Спросил 6 лет, 7 месяцев назад

Изменено 10 месяцев назад

Просмотрено 30 тысяч раз

$\begingroup$

Диэлектрическая проницаемость – это отношение диэлектрической проницаемости среды к диэлектрической проницаемости свободного пространства. Как найти диэлектрическую проницаемость проводника?

• электростатика
• электричество
• проводники
• диэлектрик

$\endgroup$

4

$\begingroup$

Диэлектрическая проницаемость проводника бесконечна.

Пусть величина внешнего электрического поля в свободном пространстве (относительная диэлектрическая проницаемость = 1) равна $E$.

Если применить это к материалу с относительной диэлектрической проницаемостью $\epsilon_r$, то электрическое поле в материале равно $\dfrac {E}{\epsilon_r}$

Внутри проводника электрическое поле равно нулю, поэтому его относительная диэлектрическая проницаемость равна бесконечный.

$\endgroup$

2

$\begingroup$

Внутри металла не происходит образования диполей, следовательно, нет и поляризации как таковой. У нас есть свободные электроны в металлах, не связанные, как у диэлектрика. Следовательно, мы можем утверждать, что его электрическая восприимчивость $\chi$ = 0. Мы знаем, что $\epsilon_r = 1 + \chi$, поэтому можно сказать, что его относительная диэлектрическая проницаемость ($\epsilon_r$) равна 1, учитывая проблемы электростатики. Для переменных во времени полей, т.е. электродинамики, мы определяем комплексную диэлектрическую проницаемость как $\hat{\epsilon}=\epsilon \times (1+\sigma/i\omega\epsilon)$, где для металлов мы можем иметь мнимую часть $\ сигма/\омега\эпсилон >> 1$. Таким образом, для металлов $\hat{\epsilon}=i\sigma/\omega)$, что является большой мнимой величиной, учитывая высокую проводимость металлов.

Хотя этот ответ не является источником, основная идея была получена при наблюдении за значением $\epsilon = \epsilon_0$, которое использовалось во «Введении в электродинамику» Дэвида Гриффитса в задачах (см. главу 9, задачу 20, бит ( б)).

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Значение $k$ дает представление о том, как оно изолирует заряды. Для этой цели используются изоляторы, поэтому проводники делают меньше в этом отношении.

$\endgroup$

$\begingroup$

Диэлектрическая проницаемость пропорциональна отношению плотности поляризации (P) и электрического поля (E), что означает, что диэлектрическая проницаемость обратно пропорциональна электрическому полю.

Электрическое поле (E) внутри проводника всегда равно нулю в статической ситуации, поэтому диэлектрическая проницаемость проводника бесконечна.

$\endgroup$

$\begingroup$

Если диэлектрическая проницаемость внутри проводника бесконечна, то не будет ли это означать, что при заданном временном изменении электрического поля (скажем, E(t)=250sin wt) плотность тока смещения внутри проводника очень высока? Хотя теоретически он должен быть равен нулю.
И электрическое поле внутри проводника равно нулю, из-за эффекта индуцированного электрического поля внутри проводника, в направлении, противоположном внешнему полю. Наведенное поле векторно добавляется к внешнему полю и отменяет его действие.

$\endgroup$

$\begingroup$

Чистое или результирующее электрическое поле внутри проводника равно нулю поэтому, разделив электрическое поле на ноль, мы получим бесконечность

$\endgroup$

$\begingroup$

Чем больше значение диэлектрической проницаемости, тем больше непроводящее свойство. Если диэлектрическая проницаемость проводника бесконечна, то он будет идеальным изолятором. Электрическое поле внутри проводника в электростатическом состоянии возникает из-за наведенного электрического поля наведенных зарядов, противодействующих внешнему электрическому полю, а не из-за бесконечного значения диэлектрической проницаемости или диэлектрической проницаемости проводника. А ток смещения внутри проводника с изменяющимся во времени электрическим полем, подобным переменному напряжению на проводнике, равен нулю, потому что диэлектрическая способность проводника равна нулю.

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Формула Друде не так уж плоха для реальных металлов:

$\varepsilon(\lambda) = 1 — \frac{1}{\frac{\lambda_p}{\lambda}(\frac{\lambda_p}{\lambda } + i \gamma)}$, где $\lambda$ — длина волны в вакууме.

Для золота в инфракрасном диапазоне $\lambda_p$ составляет около 190 нм, а $\gamma$ – около 0,005.

Бит что такое «чистый» проводник? Если хотите убрать потери, поставьте $\gamma = 0$. Член $\lambda_p$ связан с массой и плотностью электронов.

Для идеального проводника $\frac{1}{\varepsilon} = 0$. Для действительно хорошего проводника $\frac{1}{\varepsilon}$ – это небольшое отрицательное число в оптической области и небольшое мнимое число в радиочастотной или постоянной области.

$\endgroup$

$\begingroup$

Чистый проводник, помещенный между разностью потенциалов и проводящими слоями.