Что такое диэлектрики и конденсаторы. Какими свойствами обладают диэлектрики. Как устроены и работают конденсаторы. Где применяются диэлектрики и конденсаторы в технике и электронике. Какие бывают виды конденсаторов.
Что такое диэлектрики и их основные свойства
Диэлектрики — это вещества, которые плохо проводят электрический ток. Основные свойства диэлектриков:
- Высокое удельное электрическое сопротивление (от 10^8 до 10^16 Ом·м)
- Способность к поляризации во внешнем электрическом поле
- Отсутствие свободных носителей заряда
- Широкая запрещенная зона (более 3 эВ)
Диэлектриками являются многие твердые, жидкие и газообразные вещества — пластмассы, стекло, керамика, резина, различные масла и т.д. Их основное применение — в качестве электроизоляционных материалов.
Принцип работы и устройство конденсаторов
Конденсатор — это электронный компонент, способный накапливать электрический заряд. Простейший конденсатор состоит из двух проводящих пластин, разделенных диэлектриком. Принцип работы конденсатора:
- При подключении к источнику тока на пластинах конденсатора накапливаются противоположные по знаку заряды
- Между пластинами возникает электрическое поле
- Энергия поля запасается в диэлектрике между пластинами
- При отключении от источника заряд сохраняется на пластинах
Основная характеристика конденсатора — электрическая емкость, измеряемая в фарадах. Емкость показывает, какой заряд накапливает конденсатор при заданном напряжении.
Виды и применение конденсаторов в электронике
По типу диэлектрика и конструкции различают следующие виды конденсаторов:
- Керамические
- Пленочные
- Электролитические
- Танталовые
- Воздушные
- Вакуумные
Основные области применения конденсаторов в электронике:
- Накопление энергии
- Фильтрация сигналов и помех
- Разделение постоянной и переменной составляющих тока
- Создание колебательных контуров
- Сглаживание пульсаций в выпрямителях
Диэлектрическая проницаемость и её влияние на ёмкость
Диэлектрическая проницаемость ε — это физическая величина, характеризующая способность диэлектрика к поляризации во внешнем электрическом поле. Она показывает, во сколько раз напряженность поля в диэлектрике меньше, чем в вакууме.
Ёмкость конденсатора прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости:
C = ε * C0
где C0 — ёмкость конденсатора с вакуумным диэлектриком.
Таким образом, применение диэлектриков с высокой ε позволяет значительно увеличить ёмкость конденсатора при тех же геометрических размерах.
Электрическая прочность диэлектриков
Электрическая прочность — это способность диэлектрика выдерживать сильное электрическое поле без пробоя. Характеризуется максимальной напряженностью поля Eпр, которую выдерживает диэлектрик без разрушения.
От электрической прочности зависит максимальное рабочее напряжение конденсатора. Типичные значения Eпр:
- Воздух — 3 МВ/м
- Трансформаторное масло — 10-15 МВ/м
- Слюда — 100-200 МВ/м
- Фторопласт — 50-60 МВ/м
Чем выше электрическая прочность, тем более высоковольтный конденсатор можно изготовить на основе данного диэлектрика.
Потери в диэлектриках конденсаторов
В реальных диэлектриках при воздействии переменного электрического поля возникают диэлектрические потери энергии. Они обусловлены:
- Токами утечки через диэлектрик
- Потерями на поляризацию диэлектрика
- Потерями на ионизацию газовых включений
Диэлектрические потери характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ. Чем меньше tgδ, тем лучше качество диэлектрика. Типичные значения tgδ:
- Воздух — 10^-6
- Полистирол — 10^-4
- Керамика — 10^-2 — 10^-3
Диэлектрические потери приводят к нагреву конденсатора и снижению его добротности на высоких частотах.
Поляризация диэлектриков
Поляризация — это смещение связанных зарядов в диэлектрике под действием внешнего электрического поля. Основные виды поляризации:
- Электронная — смещение электронных оболочек относительно ядер
- Ионная — смещение ионов в кристаллической решетке
- Дипольная — ориентация полярных молекул
- Спонтанная — в сегнетоэлектриках
В результате поляризации на поверхности диэлектрика возникают связанные заряды, которые ослабляют внешнее поле. Это и приводит к увеличению ёмкости конденсатора с диэлектриком.
Применение диэлектриков в высоковольтной технике
В высоковольтной технике диэлектрики используются для:
- Изоляции токоведущих частей
- Изготовления изоляторов
- Создания изолирующих промежутков
- Заполнения корпусов высоковольтных устройств
Основные требования к высоковольтным диэлектрикам:
- Высокая электрическая прочность
- Низкие диэлектрические потери
- Стойкость к частичным разрядам
- Высокая теплопроводность
- Негорючесть
Наиболее распространенные высоковольтные диэлектрики: трансформаторное масло, элегаз (SF6), вакуум, специальные полимеры.
Заключение
Диэлектрики играют важную роль в электротехнике и электронике, обеспечивая изоляцию и возможность накопления энергии в конденсаторах. Понимание свойств диэлектриков позволяет создавать надежные изоляционные конструкции и эффективные конденсаторы для различных применений. Дальнейшее совершенствование диэлектрических материалов остается актуальной задачей современной науки и техники.
Диэлектрик | это… Что такое Диэлектрик?
Иное название этого понятия — «изолятор»; см. также другие значения.
Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 см−3. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.
Содержание
|
Физические свойства
Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10−5 Ом·м, а к диэлектрикам — материалы, у которых ρ > 108 Ом·м.
При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10−8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 1016 Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10−5—108 Ом·м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причём двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Чёткую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников.
Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков — возбуждённым.
Развитие радиотехники потребовало создания материалов, в которых специфические высокочастотные свойства сочетаются с необходимыми физико-механическими параметрами. Такие материалы называют высокочастотными. Для понимания электрических, магнитных и механических свойств материалов, а также причин старения нужны знания их химического и фазового состава, атомной структуры и структурных дефектов.
Удельное сопротивление деионизированной воды (см. также: бидистиллят) — 10-20 МОм·см.
Параметры
Физическим параметром, который характеризует диэлектрик, является диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость может иметь дисперсию.
Примеры
К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стёкла, различные смолы, пластмассы, многие виды резины.
Ряд диэлектриков проявляют интересные физические свойства.
К ним относятся электреты, пьезоэлектрики, пироэлектрики, сегнетоэластики, сегнетоэлектрики, релаксоры и сегнетомагнетики.
Использование
При применении диэлектриков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.
Диэлектрики используются не только как изоляционные материалы.
Пассивные свойства диэлектриков
Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, то есть с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). В этих случаях диэлектрическая проницаемость материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных ёмкостей.
Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определённой ёмкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.
Активные свойства диэлектриков
Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.
См. также
- Трекингостойкость
- Материаловедение
- Кондуктометрия
Ссылки
- Электроизоляционные материалы (диэлектрики)
- Характеристики электроизоляционных материалов
Глава 19. Проводники и диэлектрики в электрическом поле
В школьном курсе физики есть раздел, посвященный электрическим свойствам проводников и диэлектриков и их поведению во внешнем электрическом поле. В необходимый минимум знаний по этому вопросу входит понимание явления электростатической индукции и его механизмов в проводниках и диэлектриках, а также умение находить в простейших ситуациях индуцированные в проводниках и диэлектриках заряды.
Кратко рассмотрим эти вопросы.
В состав атомов входят заряженные частицы (электроны и протоны). Поэтому любое тело содержит огромное количество зарядов. Число протонов и число электронов в составе незаряженного тела одинаково, заряженное тело содержит разные количества протонов и электронов.
В зависимости от того, являются ли заряды внутри тела свободными или связанными, все вещества делятся на проводники, диэлектрики (или изоляторы) и полупроводники. В проводниках электрические заряды могут свободно перемещаться, и потому такие тела проводят электрический ток. К проводникам относятся все металлы, в которых носителями заряда являются «оторвавшиеся» от атомов валентные электроны (свободные электроны), а также растворы электролитов (кислот, щелочей и солей), в которых перемещаются положительные и отрицательные ионы.
В диэлектриках все заряды «привязаны» к покоящимся атомам и не могут перемещаться. Поэтому диэлектрики не проводят электрический ток. К диэлектрикам, например, относятся: газы, пластмассы, эбонит, резина, дистиллированная вода.
Вещества, занимающие по своей проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, называются полупроводниками. Типичными полупроводниками являются кристаллические германий и кремний. В полупроводниках свободные носители заряда есть, но их мало. Не следует, однако, думать, что полупроводники являются просто «плохими» проводниками или «плохими» изоляторами. Промежуточная проводимость полупроводников приводит ко многим необычным их свойствам, которые отличают полупроводники как от проводников, так и от диэлектриков. С этими свойствами связаны многие применения полупроводников в технике.
При помещении проводника в электрическое поле свободные носители заряда внутри проводника перемещаются и на его поверхности образуются области положительного и отрицательного заряда. Такое явление разделения зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля называется электростатической индукцией или поляризацией проводника. В результате поляризации электрическое поле в пространстве изменяется и становится равным сумме внешнего поля и поля индуцированных зарядов.
Можно доказать, что перемещение зарядов в проводнике будет происходить до тех пор, пока суммарное поле внутри проводника не станет равным нулю, а на его поверхности — перпендикулярным поверхности.
Такое свойство проводника позволяет находить индуцированные на его поверхности заряды. Для этого нужно ввести эти заряды как некоторые неизвестные величины, затем найти поле, создаваемое этими зарядами и суммарное поле, равное векторной сумме внешнего поля и поля индуцированных зарядов, приравнять суммарное поле внутри проводника к нулю. Решение полученного уравнения и позволит найти индуцированные заряды.
В диэлектрике поляризация также происходит, однако механизмы этого явления — другие. Как правило, молекулы диэлектрика являются полярными, т.е. какая-то область молекулы заряжена положительно, какая-то — отрицательно. При помещении диэлектрика во внешнее поле молекулы поворачиваются, и на определенные участки поверхности диэлектрика «выходят» своими положительными областями, на другие — отрицательными.
В результате на поверхности диэлектрика образуются области положительного и отрицательного заряда, но при разрезании диэлектрика (в отличие от разрезания проводника) получившиеся части будут незаряженными. Благодаря поляризации диэлектрика поле в нем ослабляется, но не становится равным нулю. Характеристика диэлектрика , которая показывает, во сколько раз ослабляется поле в нем, называется диэлектрической проницаемостью.
Рассмотрим в рамках данного фактического материала задачи первой части.
В задаче 19.1.1 из нижеперечисленного списка веществ проводником электрического тока является металл — свинец (ответ 3).
В задаче 19.1.2 диэлектриком является мел (ответ 1; алюминий и железо — металлы, т.е. проводники тока, в водопроводной воде растворены различные соли в таком количестве, что она является прекрасным проводником электрического тока).
Как отмечалось ранее, при внесении металлического тела в электрической поле (задача 19.1.3) на поверхности тела индуцируются электрические заряды, сумма которых равна нулю.
Взаимодействие между зарядом и незаряженным диэлектрическим телом возникает (задача 19.1.4), причем это взаимодействие –— притяжение (ответ 2). Это взаимодействие возникает благодаря поляризации: из-за ориентации молекул диэлектрика часть поверхности тела, обращенная к заряду, приобретает заряд противоположного знака, дальняя от заряда часть поверхности тела — заряд того же знака (см. рисунок).
Поэтому возникнет две силы — притяжение близких участков и отталкивание дальних. Но поскольку индуцированные заряды — одинаковы по величине, а кулоновское взаимодействие убывает с ростом расстояния, притяжение сильнее отталкивания, и тело будет притягиваться к заряду.
Как указывалось во введении к настоящей главе, части металлического тела, внесенного в электрическое поле и разрезанного там (задача 19. |
1.5) будут заряжены. Поскольку направление вектора напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, часть будет заряжена положительно, часть — отрицательно (ответ 2). Если тело является диэлектриком, то его части будут незаряженными (задача 19.1.6 — ответ 1).При внесении проводящего тела в электрическое поле (задача 19.1.7) будут иметь место все три явления, перечисленных в качестве возможных ответов к задаче. О пунктах (1) и (3) («поле внутри проводника равно нулю» и «поле на поверхности перпендикулярно поверхности») говорилось во введении к настоящей главе. Докажем, что потенциал одинаков во всех точках тела. Для этого возьмем точечный пробный заряд и мысленно перенесем его из одной точки тела в другую (см. рисунок; траектория движения заряда показана пунктиром). С одной стороны, при таком движении поле совершит работу , где и — потенциалы начальной и конечной точек траектории тела. |
После соединения проводником (задача 19.1.9) два металлических тела и соединяющий проводник будут представлять собой единое проводящее тело. Поэтому потенциалы любых точек этого тела должны быть одинаковы. Следовательно, выровняются потенциалы сфер (ответ
В задачах с заземлением (задача 19.1.10) рассматривается следующая модель Земли: это проводящий шар с размерами, много большими размеров любых тел, имеющихся в задаче. Поэтому для потенциала Земли можно использовать формулу (18.8), которая для любых зарядов, с которыми мы имеем дело, дает нулевой результат. Поэтому при заземлении тела его потенциал становится равным нулю (ответ 2).
Сила взаимодействия противоположных электрических зарядов при внесении между ними диэлектрической пластинки (задача 19.
2.1) увеличится (ответ 2). Действительно, в поле зарядов на поверхности пластинки будут индуцироваться заряды: ближе к положительному — минусы, ближе к отрицательному — плюсы (см. рисунок). В результате на каждый точечный наряду с той же самой силой притяжения к другому заряду (а она, конечно, не меняется, ведь принцип суперпозиции говорит о том, что все заряды взаимодействуют независимо) будут действовать две дополнительные силы. Это будет сила притяжения к зарядам того же знака и отталкивания от зарядов противоположного. А поскольку заряды противоположного знака ближе, сила притяжения будет больше. Возникновение дополнительной силы, направленной к пластинке, будет восприниматься как увеличение силы притяжения.
Как отмечалось выше (задача 19.1.7) потенциал электрического поля во всех точках проводящего тела одинаков. Поэтому можно ввести понятие потенциала проводящего тела, который определяется как потенциал электрического поля в любой точке этого тела. Поэтому для потенциала металлического шара из задачи 19. 2.2 имеем , где , — заряд шара, — его радиус. Потенциал поля шара на расстоянии двух радиусов от его поверхности и, следовательно, трех радиусов от центра шара равен , т.е. одной трети от потенциала шара. Отсюда находим В (ответ 2).
Потенциал каждой капли ртути (задача 19.2.3) равен , где , — заряд капли, — ее радиус. После слияния заряд большой капли равен , а радиус , где — число капель (последнее следует из того, что объем большой капли равен сумме объемов капель). Отсюда находим потенциал большой капли
(ответ 2).
Поскольку после соединения шары будут представлять собой единое металлическое тело (задача 19.2.4), то заряд разделится между ними так, что потенциалы шаров будут одинаковы. Поэтому для зарядов шаров и выполнено условие
Отсюда находим (ответ 4).
Согласно принципу суперпозиции потенциал каждой точки складывается из потенциала, создаваемого в этой точке всеми зарядами. Поэтому потенциалы и внутренней и внешней сферы (задача 19.2.5) создаются зарядами внутренней и внешней сфер. А поскольку потенциал в любой точке внутри сферы определяется ее радиусом сферы (см. (18.8)), получаем
Аналогично находим потенциал внешней сферы
Отсюда находим
(ответ 3).
Чтобы найти разность потенциалов между двумя проводниками нужно мысленно перенести пробный заряд с одного из них на другой, найти работу, совершаемую электрическим полем при этом, разделить работу на величину пробного заряда. В задаче 19.2.6 между пластинками будет однородное поле с напряженностью . Поэтому работа поля над пробным зарядом при его перемещении с одной пластинки на другую есть . С другой стороны, работа поля следующим образом связана с разностью потенциалов . Отсюда находим разность потенциалов пластин
(ответ 3).
Поскольку напряженность поля между двумя параллельными пластинками, заряженными одинаковым зарядом равна нулю (см. задачу 18.2.8), то при перенесении пробного заряда с одной пластины на другую поле не совершает работу. Следовательно, разность потенциалов между такими пластинками в задаче 19.2.7 равна нулю (ответ 4).
В задаче 19.2.8 заряды распределятся только по внешней поверхности полого шара (если бы весь заряд или какая-то его часть находилась на внутренней поверхности, то в объеме проводника было бы электрическое поле, чего быть не должно). А поскольку заряд, расположенный на поверхности сферы, создает поле только снаружи этой сферы, то напряженность будет отлична от нуля только в области 3. Поэтому правильный ответ в задаче — 4.
В задаче 19.2.9 заряды индуцируются и на внешней и на внутренней поверхностях полого шара, причем их сумма равна нулю. Результирующее поле будет создаваться центральным зарядом и индуцированными зарядами, которые, фактически, представляют собой равномерно заряженные сферы. А поскольку поле сферы равно нулю внутри этой сферы, то суммарное поле в полости (в области 1) равно полю точечного заряда, т.е. не равно нулю. Внутри металлического тела (в области 2) поле равно нулю, как и внутри любого проводника. Снаружи шара поля индуцированных зарядов компенсируют друг друга, поэтому суммарное поле равно полю точечного заряда, т.е. не равно нулю. Поэтому правильный ответ в этой задаче — 2.
В задаче 19.2.10 на внешней и внутренней поверхности сферической оболочки будут индуцироваться такие заряды, что суммарное поле (внешнее плюс поле индуцированных зарядов) внутри оболочки будет равняться нулю. Пусть на внутренней поверхности будет индуцирован заряд — , тогда на внешней поверхности будет индуцирован заряд . Поле внутри оболочки (в области 2) будет создаваться только точечным зарядом и зарядами внутренней поверхности (заряд внешней поверхности благодаря ее сферичности в этой области электрического поля не создает). С другой стороны это поле равно нулю. Отсюда заключаем, что заряд внутренней поверхности оболочки противоположен по знаку центральному точечному заряду и равен ему по величине . Следовательно, заряд внешней поверхности оболочки центральному заряду (ответ 1).
18.5 Конденсаторы и диэлектрики. Физика
Раздел Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете делать следующее:
- Вычислять энергию, запасенную в заряженном конденсаторе, и емкость конденсатора
- Объяснить свойства конденсаторов и диэлектриков
Поддержка учителей
Поддержка учителей
Цели обучения в этом разделе помогут вашим учащимся освоить следующие стандарты:
- (5) Учащийся знает природу сил в физическом мире. Ожидается, что студент:
- (Ф)
спроектировать и рассчитать с точки зрения сквозного тока, разности потенциалов, сопротивления и мощности, используемой элементами электрической цепи, соединенными как последовательно, так и параллельно.
- (Ф)
спроектировать и рассчитать с точки зрения сквозного тока, разности потенциалов, сопротивления и мощности, используемой элементами электрической цепи, соединенными как последовательно, так и параллельно.
Кроме того, руководство по физике для средней школы рассматривает содержание этого раздела в лабораторной работе под названием «Электрический заряд», а также следующие стандарты:
- (5) Учащийся знает природу сил в физическом мире. Ожидается, что студент:
- (Ф) спроектировать и рассчитать с точки зрения сквозного тока, разности потенциалов, сопротивления и мощности, используемой элементами электрической цепи, соединенными как последовательно, так и параллельно.
Основные термины раздела
| конденсатор | диэлектрик |
Поддержка учителей
Поддержка учителей
Чтобы представить конденсаторы, в этом разделе подчеркивается их способность накапливать энергию. Диэлектрики введены как способ увеличить количество энергии, которое может храниться в конденсаторе. Чтобы представить идею хранения энергии, обсудите с учащимися другие механизмы хранения энергии, такие как плотины или батареи. Спросите, у кого больше мощность.
Конденсаторы
Поддержка учителей
Поддержка учителей
Объясните, что электрические конденсаторы являются жизненно важными частями всех электрических цепей. На самом деле, все электрические устройства имеют емкость, даже если конденсатор явно не встроен в устройство.
[BL]Попросите учащихся определить, как слово емкость используется в повседневной жизни. Предложите им найти определение в словаре. Сравните и сопоставьте обыденное значение со значением термина в физике.
[OL]Спросите учащихся, слышали ли они слово конденсатор , используемый вместе с электричеством, например, на электростанциях или в электрических цепях. Попросите их описать, как используется это слово.
[AL]Обсудите, как пружина способна накапливать механическую энергию. Обсудите, какие свойства пружины увеличивают ее способность накапливать энергию. Укажите, что эти свойства присущи пружине.
Снова рассмотрим рентгеновскую трубку, рассмотренную в предыдущем примере задачи. Как создать однородное электрическое поле? Один положительный заряд создает электрическое поле, направленное от него, как показано на рис. 18.17. Это поле неоднородно, так как расстояние между линиями увеличивается по мере удаления от заряда. Однако, если мы объединим положительный и отрицательный заряды, мы получим электрическое поле, показанное на рис. 18.19.(а). Обратите внимание, что между зарядами силовые линии электрического поля расположены более равномерно.
Что произойдет, если мы поместим, скажем, пять положительных зарядов в линию напротив пяти отрицательных зарядов, как показано на рис. 18.27? Теперь область между линиями заряда содержит довольно однородное электрическое поле.
Рисунок
18. 27
Красные точки — положительные заряды, синие — отрицательные. Направление электрического поля показано красными стрелками. Обратите внимание, что электрическое поле между положительными и отрицательными точками довольно однородно.
Мы можем распространить эту идею еще дальше и на два измерения, поместив две металлические пластины лицом к лицу и зарядив одну положительным зарядом, а другую равной по величине отрицательной зарядкой. Это можно сделать, подключив одну пластину к положительной клемме батареи, а другую пластину к отрицательной клемме, как показано на рис. 18.28. Электрическое поле между этими заряженными пластинами будет чрезвычайно однородным.
Рисунок 18.28 Две параллельные металлические пластины заряжаются противоположным зарядом, соединяя пластины с противоположными клеммами батареи. Величина заряда на каждой пластине одинакова.
Давайте подумаем о работе, необходимой для зарядки этих пластин. До того, как пластины подключены к батарее, они нейтральны, то есть имеют нулевой суммарный заряд. Размещение первого положительного заряда на левой пластине и первого отрицательного заряда на правой пластине требует очень мало работы, потому что пластины нейтральны, поэтому противоположные заряды отсутствуют. Теперь рассмотрите возможность размещения второго положительного заряда на левой пластине и второго отрицательного заряда на правой пластине. Поскольку первые два заряда отталкивают вновь прибывших, к двум новым зарядам нужно приложить силу на расстоянии, чтобы они оказались на пластинах. Это определение работы, которое означает, что по сравнению с первой парой требуется больше работы, чтобы положить вторую пару зарядов на пластины. Чтобы разместить третий положительный и отрицательный заряды на пластинах, требуется еще больше работы, и так далее. Откуда эта работа? Батарея! Его химическая потенциальная энергия преобразуется в работу, необходимую для разделения положительных и отрицательных зарядов.
Несмотря на то, что батарея работает, эта работа остается в рамках системы аккумуляторной пластины. Следовательно, закон сохранения энергии говорит нам, что если потенциальная энергия батареи уменьшится до отдельных зарядов, энергия другой части системы должна увеличиться на ту же величину. По сути, энергия батареи запасается в электрическом поле между пластинами. Эта идея аналогична рассмотрению того, что потенциальная энергия поднятого молота хранится в гравитационном поле Земли. Если бы гравитационное поле исчезло, у молота не было бы потенциальной энергии. Точно так же, если бы между пластинами не существовало электрического поля, между ними не накапливалась бы энергия.
Если мы сейчас отсоединим пластины от батареи, они будут удерживать энергию. Мы могли бы, например, подключить пластины к лампочке, и лампочка будет гореть до тех пор, пока эта энергия не будет израсходована. Таким образом, эти пластины обладают способностью накапливать энергию. По этой причине устройство, подобное этому, называется конденсатором. Конденсатор — это совокупность объектов, которые в силу своей геометрии могут накапливать энергию электрического поля.
Различные реальные конденсаторы показаны на рис. 18.29.. Обычно они изготавливаются из проводящих пластин или листов, разделенных изоляционным материалом. Они могут быть плоскими или свернутыми или иметь другую геометрию.
Рисунок 18.29 Некоторые типовые конденсаторы. (кредит: Уинделл Оскей)
Емкость конденсатора определяется его емкостью C , которая равна
С=QV,C=QV,
18,35
, где Q — величина заряда на каждой пластине конденсатора, а В — это разность потенциалов при переходе от отрицательной пластины к положительной. Это означает, что и Q , и V всегда положительны, поэтому емкость всегда положительна. Из уравнения для емкости видно, что единицами измерения емкости являются C/V, которые называются фарадами (F) в честь английского физика девятнадцатого века Майкла Фарадея.
Уравнение C=Q/VC=Q/V имеет смысл: конденсатор с плоскими пластинами (подобный показанному на рис. 18.28) размером с футбольное поле может удерживать большой заряд, не требуя слишком большой работы на единицу заряда для втолкнуть заряд в конденсатор. Таким образом, Q будет большим, а V будет маленьким, поэтому емкость C будет очень большой. Вдавливание того же заряда в конденсатор размером с ноготь потребовало бы гораздо больше работы, поэтому V было бы очень большим, а емкость была бы намного меньше.
Хотя из уравнения C=Q/VC=Q/V кажется, что емкость зависит от напряжения, на самом деле это не так. Для данного конденсатора отношение запасенного в конденсаторе заряда к разности напряжений между обкладками конденсатора всегда остается одним и тем же. Емкость определяется геометрией конденсатора и материалами, из которых он изготовлен. Для плоского конденсатора, между пластинами которого ничего нет, емкость равна
C0=ε0Ad,C0=ε0Ad,
18,36
где А площадь пластин конденсатора и d их расстояние между собой. Мы используем C0C0 вместо C , потому что между пластинами конденсатора ничего нет (в следующем разделе мы увидим, что происходит, когда это не так). Константа ε0,ε0, равная эпсилон ноль , называется диэлектрической проницаемостью свободного пространства, и ее значение равно
ε0=8,85×10−12 Ф/мε0=8,85×10−12 Ф/м
18.37
Возвращаясь к энергии, хранящейся в конденсаторе, мы можем спросить, сколько именно энергии хранит конденсатор. Если конденсатор зарядить, подав на него напряжение В , например, подключив его к батарее с напряжением В , то потенциальная электрическая энергия, запасенная в конденсаторе, равна
UE=12CV2.UE=12CV2.
18,38
Обратите внимание, что форма этого уравнения аналогична форме для кинетической энергии, K=12mv2K=12mv2 .
Смотреть физику
Откуда взялась емкость?
В этом видео показано, как определяется емкость и почему она зависит только от геометрических свойств конденсатора, а не от напряжения или накопленного заряда. При этом он дает хороший обзор понятий работы и электрического потенциала.
Проверка захвата
Если увеличить расстояние между пластинами конденсатора, как изменится его емкость?
- Удвоение расстояния между пластинами конденсатора уменьшит емкость в четыре раза.
- Удвоение расстояния между пластинами конденсатора уменьшит емкость в два раза.
- Удвоение расстояния между пластинами конденсатора увеличивает емкость в два раза.
- Удвоение расстояния между пластинами конденсатора увеличит емкость в четыре раза.
Виртуальная физика
Зарядите конденсатор
В этой симуляции вам представлен конденсатор с плоскими пластинами, подключенный к батарее переменного напряжения. Аккумулятор изначально находится при нулевом напряжении, поэтому конденсатор не заряжен. Сдвиньте ползунок батареи вверх и вниз, чтобы изменить напряжение батареи, и наблюдайте за зарядами, которые накапливаются на пластинах. Отображение емкости, заряда верхней пластины и накопленной энергии при изменении напряжения батареи. Вы также можете отобразить линии электрического поля в конденсаторе. Наконец, проверьте напряжение между различными точками этой цепи с помощью вольтметра.
Проверка захвата
Верно или неверно — в конденсаторе накопленная энергия всегда положительна, независимо от того, заряжена ли верхняя пластина отрицательным или положительным зарядом.
- ложный
- правда
Рабочий пример
Емкость и заряд, хранящиеся в конденсаторе с параллельными пластинами
(a) Какова емкость плоского конденсатора с металлическими пластинами площадью 1,00 м 2 , каждая из которых расположена на расстоянии 0,0010 м? б) Какой заряд сохраняется в этом конденсаторе, если напряжение 3,00·10 3 В на него подается?
Стратегия ЗА (А)
Используйте уравнение C0=ε0AdC0=ε0Ad .
Решение задачи (a)
Ввод данных значений в это уравнение для емкости плоского конденсатора дает 9 F=8,9 нФ.C=ε0Ad=(8,85×10-12 Ф/м)1,00 м20,0010 м=8,9×10-9 Ф=8,9 нФ.
18,39
Обсуждение для (a)
Это маленькое значение емкости показывает, насколько сложно сделать устройство с большой емкостью. Помогают специальные методы, такие как использование тонкой фольги очень большой площади, расположенной близко друг к другу, или использование диэлектрика (будет обсуждаться ниже).
Стратегия ЗА (Б)
Зная C , найдите накопленный заряд, решив уравнение C=Q/VC=Q/V для заряда Q .
Решение для (b)
Заряд Q на конденсаторе равен
Q=CV=(8,9×10-9F)(3,00×103В)=2,7×10-5C.Q=CV=(8,9×10 -9F)(3,00×103В)=2,7×10-5C.
18,40
Обсуждение для (b)
Этот заряд лишь немного превышает типичный заряд статического электричества. Больше заряда можно сохранить, используя диэлектрик между обкладками конденсатора.
Рабочий пример
Какая батарея нужна для зарядки конденсатора?
Ваш друг дает вам конденсатор емкостью 10 мкФ 10 мкФ. Чтобы хранить 120 мкКл120 мкКл на этом конденсаторе, аккумулятор какого напряжения нужно купить?
Стратегия
Используйте уравнение C=Q/VC=Q/V, чтобы найти напряжение, необходимое для зарядки конденсатора.
Решение
Решение C=Q/VC=Q/V для напряжения дает V=Q/CV=Q/C . Вставка C=10 мкФ=10×10-6FC=10 мкФ=10×10-6F и Q=120 мкC=120×10-6CQ=120 мкC=120×10-6C дает
V=QC=120×10−6C10×10−6F=12VV=QC=120×10−6C10×10−6F=12V
18,41
Обсуждение
Такую батарею должно быть легко достать. Остается вопрос, содержит ли аккумулятор достаточно энергии для обеспечения нужного заряда. Уравнение UE=12CV2UE=12CV2 позволяет рассчитать требуемую энергию.
UE=12CV2=12(10×10−6F)(12В)2=72мJUE=12CV2=12(10×10−6F)(12В)2=72мДж
18,42
Типичная промышленная батарея может легко обеспечить это много энергии.
Практические задачи
23.
Какое напряжение на 35 мкФ при заряде 25 нКл?
- 8,75 × 10 −13 В
- 0,71 × 10 −3 В
- 1,4 × 10 −3 В
- 1,4 × 10 3 В
24.
Какое напряжение приложено к конденсатору емкостью 100 мкФ, хранящему 10 Дж энергии?
- −4,5 × 10 2 В
- 4,5 × 10 2 В
- ±4,5 × 10 2 В
- ±9 × 10 2 В
Диэлектрики
Поддержка учителей
Поддержка учителей
Объясните, что диэлектрик — это сокращение от диэлектрический материал , который имеет особые электрические свойства, которые будут обсуждаться в этом разделе. Слово диэлектрик используется для обозначения способности материала накапливать энергию. Напомните учащимся, что изолятор используется для обозначения способности материала препятствовать прохождению электрического заряда.
[BL][OL]Обратите внимание, что префикс к означает два или два. В сочетании со словом электрический это означает, что диэлектрик может иметь два электрических заряда.
[AL]Спросите учащихся, знают ли они другие слова, которые используют префикс di в науке (двухатомный, двуокись углерода, диполь, …).
Прежде чем приступить к решению некоторых примеров задач, давайте посмотрим, что произойдет, если мы поместим изоляционный материал между пластинами заряженного конденсатора, а затем отсоединим его от заряжаемой батареи, как показано на рис. 18.30. Поскольку материал является изолирующим, заряд не может перемещаться через него с одной пластины на другую, поэтому заряд Q на конденсатор не меняется. Между пластинами заряженного конденсатора существует электрическое поле, поэтому изолирующий материал поляризуется, как показано в нижней части рисунка. Электроизоляционный материал, который поляризуется в электрическом поле, называется диэлектриком.
На рис. 18.30 показано, что отрицательный заряд молекул материала смещается влево, в сторону положительного заряда конденсатора. Этот сдвиг происходит из-за электрического поля, которое действует слева на электроны в молекулах диэлектрика. Правые стороны молекул теперь лишены небольшого количества отрицательного заряда, поэтому их суммарный заряд положительный.
Рисунок 18.30 Верхний и нижний конденсаторы несут одинаковый заряд Q . Верхний конденсатор не имеет диэлектрика между пластинами. Нижний конденсатор имеет диэлектрик между пластинами. Молекулы в диэлектрике поляризуются электрическим полем конденсатора.
Поддержка учителей
Поддержка учителей
Укажите положительный и отрицательный поверхностный заряд на каждой стороне диэлектрика. Обсудите со студентами, что линии электрического поля нарисованы так, что они касаются поверхностных зарядов, потому что линии электрического поля всегда начинаются или заканчиваются на заряде. Таким образом, через диэлектрик проходит меньше линий электрического поля, а это означает, что электрическое поле внутри диэлектрика слабее.
Все электроизоляционные материалы являются диэлектриками, но некоторые из них являются лучшими диэлектриками, чем другие. Хорошим диэлектриком является тот, молекулы которого позволяют своим электронам сильно смещаться в электрическом поле. Другими словами, электрическое поле немного оттягивает их электроны от их атома, но они не убегают полностью от своего атома (именно поэтому они являются изоляторами).
На рис. 18.31 показано макроскопическое изображение диэлектрика в заряженном конденсаторе. Обратите внимание, что линии электрического поля в конденсаторе с диэлектриком разнесены дальше, чем линии электрического поля в конденсаторе без диэлектрика. Это означает, что электрическое поле в диэлектрике слабее, поэтому оно хранит меньше электрической потенциальной энергии, чем электрическое поле в конденсаторе без диэлектрика.
Куда делась эта энергия? На самом деле молекулы в диэлектрике действуют как крошечные пружинки, и энергия электрического поля идет на то, чтобы растянуть эти пружинки. При ослаблении электрического поля разница напряжений между двумя сторонами конденсатора меньше, поэтому становится легче зарядить конденсатор. Таким образом, помещение диэлектрика в конденсатор перед его зарядкой позволяет накопить в конденсаторе больше заряда и потенциальной энергии. Параллельная пластина с диэлектриком имеет емкость
C=κε0Ad=κC0,C=κε0Ad=κC0,
18,43
где κκ ( каппа ) — безразмерная постоянная, называемая диэлектрической проницаемостью . Поскольку κκ больше 1 для диэлектриков, емкость увеличивается, когда диэлектрик помещается между пластинами конденсатора. Диэлектрическая проницаемость некоторых материалов показана в таблице 18.1.
| Материал | Диэлектрическая проницаемость (κκ) |
|---|---|
| Вакуум | 1.00000 |
| Воздух | 1.00059 |
| Плавленый кварц | 3,78 |
| Неопреновый каучук | 6,7 |
| Нейлон | 3,4 |
| Бумага | 3,7 |
| Полистирол | 2,56 |
| Стекло пирекс | 5,6 |
| Силиконовое масло | 2,5 |
| Титанат стронция | 233 |
| Тефлон | 2.1 |
| Вода | 80 |
Стол 18.1 Диэлектрические постоянные для различных материалов при 20 °C
Рисунок
18.31
Верхний и нижний конденсаторы несут одинаковый заряд Q. Между пластинами верхнего конденсатора нет диэлектрика. Нижний конденсатор имеет диэлектрик между пластинами. Поскольку некоторые линии электрического поля заканчиваются и начинаются на поляризационных зарядах в диэлектрике, электрическое поле в конденсаторе менее сильное. Таким образом, при том же заряде конденсатор запасает меньше энергии, если он содержит диэлектрик.
Поддержка учителей
Поддержка учителей
Подчеркнем, что силовые линии электрического поля в диэлектрике менее плотные, чем в конденсаторе без диэлектрика, что показывает, что электрическое поле в диэлектрике слабее.
Рабочий пример
Конденсатор для вспышки камеры
Типичная вспышка для компактной камеры использует конденсатор емкостью около 200 мкФ200 мкФ. а) Если разность потенциалов между обкладками конденсатора составляет 100 В, то есть 100 В подается «на конденсатор», сколько энергии хранится в конденсаторе? б) Если бы диэлектриком, используемым в конденсаторе, был лист нейлона толщиной 0,010 мм, какова была бы площадь поверхности пластин конденсатора?
Стратегия ЗА (А)
Учитывая, что V=100VV=100V и C=200×10-6FC=200×10-6F, мы можем использовать уравнение UE=12CV2UE=12CV2, чтобы найти электрическую потенциальную энергию, запасенную в конденсаторе.
Решение для (a)
Вставка заданных величин в UE=12CV2UE=12CV2 дает
UE=12CV2=12(200×10−6F)(100V)2=1,0J.UE=12CV2=12(200×10 −6F)(100 В)2=1,0 Дж.
18,44
Обсуждение для (a)
Этой энергии достаточно, чтобы поднять 1-килограммовый мяч примерно на 1 м над землей. Вспышка длится примерно 0,001 с, поэтому мощность, отдаваемая конденсатором за это короткое время, равна P=UEt=1,0J0,001с=1kWP=UEt=1,0J0,001с=1кВт. Учитывая, что автомобильный двигатель выдает около 100 кВт мощности, для маленького конденсатора это неплохо!
Стратегия ЗА (Б)
Поскольку пластины конденсатора соприкасаются с диэлектриком, мы знаем, что расстояние между пластинами конденсатора составляет d=0,010 мм=1,0×10-5md=0,010 мм=1,0×10-5м. Из предыдущей таблицы диэлектрическая проницаемость нейлона составляет κ=3,4 κ=3,4. Теперь мы можем использовать уравнение C=κε0AdC=κε0Ad, чтобы найти площадь A конденсатора.
Решение (b)
Решение уравнения площади A и подстановка известных величин дает
C=κε0AdA=Cdκε0=(200×10-6F)(1,0×10-5м)(3,4)(8,85×10-12F/м)=66м2.C=κε0AdA=Cdκε0=(200×10-6F )(1,0×10-5м)(3,4)(8,85×10-12 Ф/м)=66м2.
18,45
Обсуждение для (b)
Это слишком большая площадь, чтобы свернуть ее в конденсатор, достаточно маленький, чтобы поместиться в портативную камеру. Вот почему в этих конденсаторах используются не простые диэлектрики, а более продвинутая технология для получения высокой емкости.
Практические задачи
25.
При напряжении 12 В на конденсаторе он принимает заряд 10 мКл. Какова его емкость?
- 0,83 мк F
- 83 мкм F
- 120 мк F
- 830 мк F
26.
Конденсатор с плоскими пластинами имеет площадь 10 см 2 и расстояние между пластинами 100 мк м . Какова его емкость, если между пластинами конденсатора находится бумага?
- 3,3 × 10 −10 F
- 3,3 × 10 −8 F
- 3,3 × 10 −6 Ф
- 3,3 × 10 −4 F
Проверьте свое понимание
27.
Если площадь плоского конденсатора удвоится, как изменится его емкость?
Емкость останется прежней.
Емкость удвоится.
Емкость увеличится в четыре раза.
Емкость увеличится в восемь раз.
28.
Если удвоить площадь пластинчатого конденсатора и уменьшить расстояние между пластинами в четыре раза, как изменится емкость?
Увеличится в два раза.
Увеличится в четыре раза.
Увеличится в шесть раз.
Увеличится в восемь раз.
| Вернуться к:
Домашняя страница энциклопедии
Содержание
Указатель авторов
Предметный указатель
Искать
Словарь
Домашняя страница ESTIR
Домашняя страница ЭКС Уильям Д. Браун, 1 Деннис Хесс, 2 Вимал Десаи, 3 и М. Джамал Дин 4 1 Факультет электротехники, Арканзасский инженерный центр Беллвилля, Fayette AR 3217 72701, США 2 Школа химической и биомолекулярной инженерии, Технологический институт Джорджии 311 Ferst Drive, Atlanta, GA 30332, США 3 Машиностроение, материаловедение и аэрокосмическая инженерия, Университет Центральной Флориды 4000 Central Florida Blvd., Орландо, Флорида 32816, США 4 Электротехника и вычислительная техника, Университет Макмастера 1280 Main Street West, Hamilton, ON L8S 4K1, Канада (май 2006 г. )
Зарядка происходит только при
поле внутри изолятора меняется.
Максвелл сформулировал уравнения для
электромагнитные поля как они есть
вырабатывается за счет смещения электрического
заряды и введенные диэлектрические и
магнитные постоянные для характеристики
разные СМИ. Это общепринято
что диэлектрик реагирует на электрическое
поля по-другому, по сравнению со свободным пространством,
потому что он содержит заряды, которые он может
перемещенный. Рисунок 1 иллюстрирует некоторые
конфигурации заряда и их реакция
(поляризация) под влиянием
внешнее поле. Потому что почти все
материальные системы состоят из зарядов
(исключение составляют нейтронные звезды!), это
полезно для характеристики материалов по их
диэлектрическая постоянная.
Схематическое изображение
действительная часть диэлектрической проницаемости показана на рис. Сфера диэлектрической науки и техники
Со временем внимание к диэлектрической науке и технике расширилось. Например, в недалеком
прошлое, ученые-полимерщики и технологи
расширили свой кругозор от потребителя
продукции на арену высоких технологий.
Особого внимания заслуживают изобретения в
телекоммуникации, где пластик
волокна используются для коротких оптических данных
используются звенья и полимерные пленки
для приложений нелинейной оптики. В
области микроэлектроники, излучения
чувствительные полимеры (фоторезисты) имеют
был разработан для использования с широким
различные системы облучения, от
ранние, использующие видимый свет для тех,
с использованием ближнего ультрафиолета, лазера, электронного луча и
источники рентгеновского излучения для изготовления
субмикронные конструкции высокой скорости,
интегральные схемы высокой плотности. Керамисты также расширили диапазон применения; керамический материалы используются в упаковках для полупроводниковые интегральные схемы, а также как в автомобильных двигателях, в композитах для аэрокосмических аппаратов и в высоких энергоэффективные электростанции. А заметным достижением стало открытие высокотемпературная сверхпроводимость, для которой Беднорц и Мюллеру была присуждена Нобелевская премия в Физика в 1987 году. Инженеры-электронщики и оптики
раздвигают границы материала
свойства и применение
органические и неорганические проводники,
полупроводники и изоляторы. Один
примером является возрождение интереса к
алмазные и алмазоподобные пленки.
Эти недавние усилия привели к
более высокая скорость, более высокая плотность устройств
и схемы присоединения, как
электрические и оптические, для компьютеров и
телекоммуникационные системы. С середины 1990-х гг.
промышленность микроэлектроники инвестировала
сильно, с некоторым успехом, в
разработка high- и low-k
диэлектриков (k – диэлектрическая проницаемость
материал). Эти материалы необходимы
из-за продолжающегося сокращения
горизонтальные и вертикальные размеры
интегральных схем (ИС), в результате чего
в увеличении тока утечки затвора,
и, следовательно, повышение температуры
рассеивание. Следовательно, материалы с высоким k
необходимы для диэлектрика затвора в
комплементарные ИС металл-оксид-полупроводник (КМОП), накопительные конденсаторы,
и устройства энергонезависимой статической памяти.
Точно так же уменьшение интервала между
металлические межсоединения как в вертикальном
и горизонтальные размеры создал
потребность в материалах с низким k, которые служат
межуровневые диэлектрики для компенсации увеличения
во времени распространения сигнала между
транзисторы, известные как RC-задержка (R
сопротивление металлической проволоки и C межуровневое
диэлектрическая емкость). Предыдущее обсуждение не
предполагалось, что диэлектрический
наука и техника важны только
для электронных компонентов. Далеко от
Это; диэлектрики играют важную роль
в приложениях от датчиков до ,
изоляция для проводников в силовой
коммунальная промышленность, керамическая посуда.
Кроме того, в быстро развивающейся области
биологические системы, диэлектрическая проницаемость
важно, потому что электростатические эффекты
используются для связи структуры и функции
биологических молекул. Это было
предположил, что электростатические эффекты играют
большую роль в важных биологических
действия, такие как катализ ферментов,
перенос электрона, перенос протона, ион
каналов и передачи сигнала. Будущие требования и достижения
в области диэлектриков можно реализовать
только путем дальнейшего развития и
фундаментальное понимание надежных
синтез материалов, обработка и
технологии характеризации, изготовление
можно подобрать диэлектрические материалы,
их тонкопленочные структуры и их
интерфейсы к конкретным приложениям.
Раньше эти технологии
успешно применяется в
микроэлектроника и другие отрасли
которые зависят от уникальных механических,
оптические, химические и электрические
свойства высокоэффективного диэлектрика
материалы.
Рисунок 3 — попытка изобразить
множество взаимодействий между
многочисленные и разнообразные основные области
диэлектрическая наука и техника
которые представляют сложные возможности
для сообщества ученых,
инженеры и технологи в исследованиях,
разработка, производство. ПодтверждениеЭта статья была воспроизведена из интерфейса The Electrochemical Society (том 15, № 1, весна 2006 г.) с разрешения The Electrochemical Society, Inc. и авторов. Библиография |
