Тема 1.1: Электрическое поле.

Вопросы:

1. Характеристики электрического поля.

2. Электрическое поле в диэлектриках.

3. Проводники в электрическом поле.

1. Характеристики электрического поля.

Электромагнитное поле одна из форм существования материи.

Электрическое поле – одна из двух сторон электромагнитного поля. обнаруживается по силовому действию на частицы, обладающие электрическим зарядом.

Электрический заряд Q – одно из физических свойств, которым могут обладать частицы. Проявляется во взаимодействии частиц, обладающих зарядами между собой и с электрическим полем, в которое вносят частицы.

Единица заряда в международной системе единиц (SI) – кулон (КЛ;K).

Напряжённость электрического поля (Е) – основная характеристика поля; характеризует силовое действие поля на заряды. Величина – векторная. Направление вектора напряжённости совпадает с направлением силы, действующей на положительные заряды.

1.1

F – сила, с которой поле действует на заряд Q.

Единица напряжённости в SI – вольт на метр (В/м; V/m).

Напряжение между какими-либо двумя точками поля (U) – величина численно равная работе, которую совершают силы поля, при перемещении одиночного заряда (равного одному кулону) из одной точки поля в другую. Если силами поля F при перемещении заряда Q из одной точки поля в другую совершена работа A, то напряжение между этими точками определяется по формуле

 

L – расстояние между точкам.

Единица напряжения в SI – вольт (В;V).

1В=10^-3кВ=10³мВ

кВ (kV) – киловольт; мВ (mV) – милливольт.

Потенциал какой-либо точки поля (φ) – величина, численно равная значению потенциальной энергии, которой обладает единичный заряд, находящийся в этой точке. Если заряд Q находящийся в какой-либо точке поля обладает потенциальной энергией W, то потенциал этой точки поля будет

φ=W/Q

2. Электрическое поле в диэлектриках.

При нормальных условиях диэлектрик (изолятор) обладает ничтожной электропроводностью. Это свойство сохраняется до тех пор, пока напряжённость внешнего электрического поля не достигнет значения, при котором произойдёт пробой диэлектрика, т.е. местное разрушение его с образованием канала высокой проводимости.

Напряжённость поля, при которой происходит пробой диэлектрика, называется электрической прочностью диэлектрика Е_пр, а напряжение – пробивным Uпр.

U_пр = E_пр∙h 1.2,

где h – толщина диэлектрика в месте пробоя.

Электрическая прочность измеряется в кВ/см или кВ/мм.

Напряжённость электрического поля, которая допускается в диэлектрике (изоляторе) при его применении в электрических установках, называется допустимой напряжённостью. Для надёжной работы установки нужно, чтобы допустимая напряжённость была в несколько раз меньше электрической прочности.

Пробой диэлектриков может быть электрическим, электрохимическим и тепловым.

При электрическом пробое немногочисленные в начальный момент свободные электроны в диэлектрике под действием электрического поля достигают скорости, достаточной для выбивания новых электронов из нейтральных атомов и молекул, так что возникает ударная ионизация, приводящая к пробою.

При электрохимическом пробое длительное воздействие напряжения, под влиянием которого развиваются электрохимические процессы, приводит к увеличению электрической проводимости и уменьшению электрической прочности диэлектрика, что и приводит к пробою.

При тепловом пробое происходит разогрев диэлектрика в электрическом поле до значений, при которых возникает термическое повреждение или разрушение, например растрескивание, обугливание и т.д.

После пробоя газового и жидкого диэлектриков и снятие напряжения электрические свойства диэлектрика почти полностью восстанавливаются. При пробое твёрдого диэлектрика канал высокой проводимости сохраняется и после снятия напряжения, и диэлектрик выходит из строя.

В переменном электрическом поле происходит разогрев диэлектрика. Данное явление используют для сушки различных диэлектрических материалов.

3. Проводники в электрическом поле.

В проводнике, помещённом во внешнее электрическое поле с напряжённостью Евн, свободные электроны под действием поля будут перемещаться в направлении противоположном направлению внешнего поля. Вследствие этого на стороне проводника, обращённой к направлению вектора напряжённости поля, образуется отрицательный заряд, а на противоположной стороне - положительный заряд. Разделение зарядов приводит к возникновению добавочного электрического поля, вектор напряжённости которого направлен противоположно вектору напряжённости внешнего поля. Разделение зарядов продолжается до тех пор, пока созданное ими внутри проводника поле не компенсирует внешнее поле, следовательно, результирующего поле внутри проводника отсутствует.

Явление разделения зарядов на проводящих телах под влиянием внешнего электрического поля называется электростатической индукцией.

 

При помощи электростатической индукции, например, защищают какую-либо часть пространства от электростатического поля. Для этого защищаемое пространство окружают замкнутой проводящей оболочкой – экраном (рис. 1.1). Вследствие электростатической индукции на внешней поверхности оболочки появятся электрические заряды, но в самой оболочке и внутри неё поле отсутствует. В технике для экранирования вместо сплошных оболочек часто применяют оболочки металлических сеток.