Проводники и диэлектрики примеры: Понятие проводников и диэлектриков: высокотемпературная сверхпроходимость

Содержание

Презентация «Диэлектрики и проводники»

Скрыть

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд Описание слайда: 2 слайд Описание слайда:

Диэлектрики в электростатическом поле. Два вида диэлектриков. Поляризация диэлектриков Проводники в электростатическом поле. Явление электростатической индукции Напряженность и потенциал на поверхности проводника

3 слайд Описание слайда:

Диэлектрики — это вещества, не содержащие свободных заряженных частиц, т. е. таких заряженных частиц, которые способны свободно перемещаться по всему объему тела. Поэтому диэлектрики не могут проводить электрический ток. Диэлектриками являются многие твердые тела (фарфор, янтарь, эбонит, стекло, кварц, мрамор и др.), некоторые жидкости (например, дистиллированная вода) и все газы. По внутреннему строению диэлектрики разделяются на полярные и неполярные.

4 слайд Описание слайда:

В полярных диэлектриках молекулы являются диполями, в которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. К таким диэлектрикам относятся спирт, вода, аммиак и др.

5 слайд Описание слайда: 6 слайд Описание слайда:

Неполярные диэлектрики состоят из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают. К таким веществам относятся инертные газы, водород, кислород, полиэтилен и др.

7 слайд Описание слайда: 8 слайд Описание слайда:

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

9 слайд Описание слайда: 10 слайд Описание слайда:

В полярных диэлектриках поляризация происходит в результате переориентации диполей.

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

11 слайд Описание слайда: 12 слайд Описание слайда:

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

13 слайд Описание слайда: 14 слайд Описание слайда:

Ео -напряжённость электрического поля в вакууме Е — напряжённость электрического поля в диэлектрике  -диэлектрическая проницаемость среды Е

15 слайд Описание слайда:

Главное отличие проводников от диэлектриков — наличие свободных зарядов, которые могут перемещаться под действием кулоновских сил. Это свойство проводников позволяет объяснить их поведение в электрическом поле.

16 слайд Описание слайда:

— — —

17 слайд Описание слайда:

Если проводник заряжен, то есть на нем находится избыточный заряд какого — либо знака, то из-за того, что одноименные заряды отталкиваются, они будут стремиться занять как можно больший объем и окажутся все на поверхности проводника.

Наличие поля внутри привело бы к непрерывному движению зарядов до тех пор, пока поле не исчезло бы. Таким образом, внутри заряженного проводника электростатическое поле отсутствует. Потенциал внутри проводника постоянен.

18 слайд Описание слайда:

Евнешн. Евнутр. Евнешн.= Евнутр.

19 слайд Описание слайда: 20 слайд Описание слайда:

Если проводник поместить во внешнее электрическое поле, то начнется перемещение свободных зарядов таким образом, что положительные заряды скапливаются на одной стороне, а отрицательные — на противоположной.

Перераспределение зарядов будет происходить до тех пор, пока поле, созданное этими зарядами, не скомпенсирует внешнее поле. Если в этот момент разделить проводник плоскостью, перпендикулярной внешнему полю, то разделенные части проводника окажутся заряженными разноименно. В разделении зарядов и заключается явление электростатической индукции. Благодаря этому явлению осуществляется электростатическая защита. Если какой-либо прибор необходимо защитить от внешних электрических полей, то его помещают в проводящую оболочку.

21 слайд Описание слайда: 22 слайд Описание слайда:

Если напряженность электрического поля будет направлена под углом к поверхности проводника, то под действием составляющей этого поля, параллельной поверхности, заряды двигались бы непрерывно, что противоречит закону сохранения энергии. Отсюда следует вывод — напряженность электростатического поля перпендикулярна поверхности проводника. Также известно, что эквипотенциальные поверхности перпендикулярны силовым линиям, поэтому поверхность проводника является эквипотенциальной.

23 слайд Описание слайда:

Диэлектрики — это вещества, не содержащие свободных заряженных частиц. В полярных диэлектриках молекулы являются диполями, в которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Неполярные диэлектрики состоят из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают. При поляризации молекулы диэлектрика ориентируются по внешнему электрическому полю. Диэлектрическая проницаемость характеризует способность диэлектрика к ослаблению внешнего поля.

24 слайд Описание слайда:

Тепловое движение влияет на поляризацию полярных диэлектриков. Главное отличие проводников от диэлектриков — наличие свободных зарядов, которые могут перемещаться под действием кулоновских сил. Внутри заряженного проводника электростатическое поле отсутствует. Потенциал внутри проводника постоянен. Напряженность электростатического поля перпендикулярна поверхности проводника. Поверхность проводника является эквипотенциальной.

Курс профессиональной переподготовки

Педагог-библиотекарь

Курс повышения квалификации

Курс профессиональной переподготовки

Специалист в области охраны труда

Найдите материал к любому уроку,
указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

Выберите категорию: Все категорииАлгебраАнглийский языкАстрономияБиологияВнеурочная деятельностьВсеобщая историяГеографияГеометрияДиректору, завучуДоп. образованиеДошкольное образованиеЕстествознаниеИЗО, МХКИностранные языкиИнформатикаИстория РоссииКлассному руководителюКоррекционное обучениеЛитератураЛитературное чтениеЛогопедия, ДефектологияМатематикаМузыкаНачальные классыНемецкий языкОБЖОбществознаниеОкружающий мирПриродоведениеРелигиоведениеРодная литератураРодной языкРусский языкСоциальному педагогуТехнологияУкраинский языкФизикаФизическая культураФилософияФранцузский языкХимияЧерчениеШкольному психологуЭкологияДругое

Выберите класс: Все классыДошкольники1 класс2 класс3 класс4 класс5 класс6 класс7 класс8 класс9 класс10 класс11 класс

Выберите учебник: Все учебники

Выберите тему: Все темы

также Вы можете выбрать тип материала:

Общая информация

Номер материала: ДБ-274725

Оставьте свой комментарий

Проводники, диэлектрики и поток электронов

Добавлено 20 сентября 2020 в 04:12

Сохранить или поделиться

Электроны атомов разных типов имеют разную степень свободы передвижения. В некоторых типах материалов, таких как металлы, внешние электроны в атомах настолько слабо связаны, что они хаотично перемещаются в пространстве между атомами этого материала не более чем под воздействием тепловой энергии комнатной температуры. Поскольку эти практически несвязанные электроны могут свободно покидать свои атомы и плавать в пространстве между соседними атомами, их часто называют свободными электронами.

Проводники и диэлектрики

В других типах материалов, таких как стекло, электроны атомов имеют очень маленькую свободу передвижения. Хотя внешние силы, такие как физическое трение, могут заставить некоторые из этих электронов покинуть свои атомы и перейти к атомам другого материала, они не так легко перемещаются между атомами внутри самого материала.

Эта относительная подвижность электронов в материале известна как электрическая проводимость (электропроводность). Электропроводность определяется типами атомов в материале (количество протонов в ядре каждого атома определяет его химическую идентичность) и тем, как атомы связаны друг с другом. Материалы с высокой подвижностью электронов (много свободных электронов) называются проводниками, а материалы с низкой подвижностью электронов (мало или совсем нет свободных электронов) называются диэлектриками. Ниже приведено несколько распространенных примеров проводников и диэлектриков:

Проводники	Диэлектрики
серебро медь золото алюминий железо сталь латунь бронза ртуть графит недистилированная вода бетон	стекло резина масло асфальт оптоволокно фарфор керамика кварц (сухой) хлопок (сухая) бумага (сухое) дерево пластмасса воздух алмаз дистилированная вода

Следует понимать, что не все проводящие материалы имеют одинаковый уровень проводимости, и не все диэлектрики одинаково устойчивы к движению электронов. Электропроводность аналогична прозрачности некоторых материалов для света: материалы, которые легко «проводят» свет, называются «прозрачными», а те, которые этого не делают, – «непрозрачными». Однако не все прозрачные материалы одинаково пропускают свет. Оконное стекло лучше, чем большинство пластиков, и, конечно, лучше, чем «прозрачное» стекловолокно. Так же и с электрическими проводниками, одни лучше других.

Например, серебро является лучшим проводником в списке «проводников», предлагая более легкий проход для электронов, чем любой другой упомянутый материал. Грязная вода и бетон также считаются проводниками, но эти материалы обладают значительно меньшей проводимостью, чем любой металл.

Также следует понимать, что некоторые материалы в зависимости от условий изменяют свои электрические свойства. Стекло, например, является очень хорошим диэлектриком при комнатной температуре, но становится проводником при нагревании до очень высокой температуры. Такие газы, как воздух, обычно изолирующие материалы, также становятся проводящими при нагревании до очень высоких температур. Большинство металлов при нагревании становятся худшими проводниками, а при охлаждении – лучшими. Многие проводящие материалы становятся идеально проводящими (это называется сверхпроводимостью) при чрезвычайно низких температурах.

Поток электронов / электрический ток

Хотя нормальное движение «свободных» электронов в проводнике является случайным, без определенного направления или скорости, электроны могут двигаться через проводящий материал и согласованным образом. Это движение электронов в заданном направлении мы называем электричеством или электрическим током. Точнее, это можно назвать динамическим электричеством в противоположность статическому электричеству, которое представляет собой неподвижное накопление электрического заряда. Подобно воде, протекающей через пустоту трубы, электроны могут перемещаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника. На наш взгляд проводник может показаться твердым, но любой материал, состоящий из атомов, по большей части представляет собой пустое пространство! Аналогия с потоком жидкости настолько уместна, что движение электронов через проводник часто называют «потоком».

Здесь можно сделать примечательное наблюдение. Поскольку каждый электрон планомерно движется через проводник, он толкает электрон впереди, и поэтому все электроны движутся вместе как группа. Начало и остановка потока электронов по всей длине проводящего пути происходит практически мгновенно от одного конца проводника до другого, даже если движение каждого электрона может быть очень медленным. Примерная аналогия – трубка, полностью заполненная шариками:

Рисунок 1 – Трубка с шариками, как аналогия потока электронов

Трубка наполнена шариками, так же как проводник полон свободных электронов, готовых к перемещению под действием внешнего воздействия. Если один шарик вставляется в эту полную трубку с левой стороны, другой шарик немедленно попытается выйти из трубки справа. Несмотря на то, что каждый шарик прошел лишь небольшое расстояние, передача движения через трубку происходит практически мгновенно от левого конца к правому, независимо от длины трубки. С электричеством общий эффект от одного конца проводника до другого происходит со скоростью света: быстрые 300 000 километров (~186 000 миль) в секунду!!! Однако каждый отдельный электрон движется через проводник гораздо медленнее.

Поток электронов через провод

Если мы хотим, чтобы электроны текли в определенном направлении в определенное место, мы должны обеспечить им правильный путь, точно так же, как водопроводчик должен установить трубопровод, чтобы вода текла туда, куда он хочет. Чтобы облегчить это, изготавливаются провода самых разных размеров из металлов с высокой проводимостью, таких как медь или алюминий.

Помните, что электроны могут течь только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала. Это означает, что электрический ток может быть только там, где существует непрерывный путь из проводящего материала, обеспечивающий канал для прохождения электронов. В аналогии с трубкой, шарики могут втекать в левую сторону трубки (и, следовательно, через трубку) тогда и только тогда, когда трубка открыта с правой стороны для вытекания шариков. Если трубка заблокирована с правой стороны, шарики будут просто «накапливаться» внутри трубки, и «потока» шариков не будет. То же самое верно и для электрического тока: непрерывный поток электронов требует наличия непрерывного пути, разрешающего этот поток. Давайте посмотрим на рисунок, чтобы проиллюстрировать, как это работает:

Рисунок 2 – Провод

Тонкая сплошная линия (показанная выше) является условным обозначением непрерывного отрезка провода. Поскольку провод сделан из проводящего материала, такого как медь, составляющие его атомы имеют много свободных электронов, которые могут легко перемещаться по проводу. Однако в этом проводе никогда не будет непрерывного или равномерного потока электронов, если им не будет откуда взяться и куда идти. Давайте добавим гипотетические «источник» и «пункт назначения» электронов:

Рисунок 3 – Источник и пункт назначения электронов

Теперь, когда источник электронов заталкивает новые электроны в провод слева, может возникать поток электронов через провод (на что указывают стрелки, указывающие слева направо). Однако поток будет прерван, если токопроводящий путь, образованный проводом, будет нарушен:

Рисунок 4 – Нарушение потока электронов через провод

Электрическая непрерывность

Поскольку воздух является изолирующим материалом, а два куска провода разделяет воздушный зазор, некогда непрерывный путь был разорван, и электроны теперь не могут течь от источника к пункту назначения. Это похоже на разрезание водопроводной трубы на две части и закрытие ее концов в месте разрыва: вода не может течь, если нет выхода из трубы. С точки зрения электричества, у нас было состояние электрической непрерывности, когда провод был целым, а теперь эта непрерывность нарушаена из-за того, что провод разрезан и разделен.

Если бы мы возьмем другой кусок провода, ведущего к пункту назначения, и просто создадим физический контакт с проводом, ведущим к источнику, у нас снова будет непрерывный путь для движения электронов. Две точки на схеме обозначают физический контакт (металл-металл) между кусочками проводов:

Рисунок 5 – Соединение металла с металлом

Теперь у нас снова есть непрерывность от источника до нового созданного соединения, вниз, вправо и вверх до пункта назначения. Это аналогично установке тройника в одну из закрытых труб и направлению воды через новый отрезок трубы к месту назначения. Обратите внимание на то, что через нарушенный отрезок провода с правой стороны не проходят электроны, потому что он больше не является частью полного пути от источника к пункту назначения.

Интересно отметить, что из-за этого электрического тока внутри проводов не происходит «износа», в отличие от водопроводных труб, которые в конечном итоге подвергаются коррозии и изнашиваются из-за продолжительных потоков. Однако при движении электроны сталкиваются с некоторым трением, и это трение может генерировать в проводнике тепло. Эту тему мы рассмотрим более подробно позже.

Резюме

В проводящих материалах внешние электроны в каждом атоме могут легко приходить или уходить и называются свободными электронами.
В диэлектрических (изолирующих) материалах внешние электроны перемещаются не так свободно.
Все металлы проводят электрический ток.
Динамическое электричество, или электрический ток, – это равномерное движение электронов по проводнику.
Статическое электричество – это неподвижный (если он находится на диэлектрике), накопленный заряд, образованный избытком или недостатком электронов в объекте. Обычно он образуется путем разделения заряда путем контакта и разделения разнородных материалов.
Чтобы электроны могли непрерывно (бесконечно) течь через проводник, должен существовать полный, непрерывный путь, по которому они могут двигаться как внутрь, так и из этого проводника.

Оригинал статьи:

Проектируем электрику вместе: Проводники и диэлектрики. Полупроводники

Сопротивление проводников. Проводимость. Диэлектрики. Применение проводников и изоляторов. Полупроводники.

Физические вещества многообразны по своим электрическим свойствам. Наиболее обширные классы вещества составляют проводники и диэлектрики.
Проводники
Основная особенность проводников – наличие свободных носителей зарядов, которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему вещества.
Как правило, к таким веществам относятся растворы солей, расплавы, вода (кроме дистиллированной), влажная почва, тело человека и, конечно же, металлы.
Металлы считаются наиболее хорошими проводниками электрического заряда.
Есть также очень хорошие проводники, которые не являются металлами.
Среди таких проводников лучшим примером является углерод.
Все проводники обладают такими свойствами, как сопротивление и проводимость. Ввиду того, что электрические заряды, сталкиваясь с атомами или ионами вещества, преодолевают некоторое сопротивление своему движению в электрическом поле, принято говорить, что проводники обладают электрическим сопротивлением (R).
Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью (G).
G = 1/ R
То есть, проводимость – это свойство или способность проводника проводить электрический ток.
Нужно понимать, что хорошие проводники представляют собой очень малое сопротивление потоку электрических зарядов и, соответственно, имеют высокую проводимость. Чем лучше проводник, тем больше его проводимость. Например, проводник из меди имеет большую проводимость, чем проводник из алюминия, а проводимость серебряного проводника выше, чем такого же проводника из меди.
Диэлектрики
В отличие от проводников, в диэлектриках при низких температурах нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.
К диэлектрикам относятся, в первую очередь, газы, которые проводят электрические заряды очень плохо. А также стекло, фарфор, керамика, резина, картон, сухая древесина, различные пластмассы и смолы.
Предметы, изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами. Надо отметить, что диэлектрические свойства изоляторов во многом зависят от состояния окружающей среды. Так, в условиях повышенной влажности (вода является хорошим проводником) некоторые диэлектрики могут частично терять свои диэлектрические свойства.
О применении проводников и изоляторов
Как проводники, так и изоляторы широко применяются в технике для решения различных технических задач.
К примеру, все электрические провода в доме выполнены из металла (чаще всего медь или алюминий). А оболочка этих проводов или вилка, которая включается в розетку, обязательно выполняются из различных полимеров, которые являются хорошими изоляторами и не пропускают электрические заряды.
Нужно отметить, что понятия «проводник» или «изолятор» не отражают качественных характеристик: характеристики этих материалов в действительности находятся в широком диапазоне – от очень хорошего до очень плохого.
Серебро, золото, платина являются очень хорошими проводниками, но это дорогие металлы, поэтому они используются только там, где цена менее важна по сравнению с функцией изделия (космос, оборонка).
Медь и алюминий также являются хорошими проводниками и в то же время недорогими, что и предопределило их повсеместное применение.
Вольфрам и молибден, напротив, являются плохими проводниками и по этой причине не могут использоваться в электрических схемах (будут нарушать работу схемы), но высокое сопротивление этих металлов в сочетании с тугоплавкостью предопределило их применение в лампах накаливания и высокотемпературных нагревательных элементах.
Изоляторы также есть очень хорошие, просто хорошие и плохие. Связано это с тем, что в реальных диэлектриках также есть свободные электроны, хотя их очень мало. Появление свободных зарядов даже в изоляторах обусловлено тепловыми колебаниями электронов: под воздействием высокой температуры некоторым электронам все-таки удается оторваться от ядра и изоляционные свойства диэлектрика при этом ухудшаются. В некоторых диэлектриках свободных электронов больше и качество изоляции у них, соответственно, хуже. Достаточно сравнить, например, керамику и картон.
Самым лучшим изолятором является идеальный вакуум, но он практически не достижим на Земле. Абсолютно чистая вода также будет отличным изолятором, но кто-нибудь видел ее в реальности? А вода с наличием каких-либо примесей уже является достаточно хорошим проводником.
Критерием качества изолятора является соответствие его функциям, которые он должен выполнять в данной схеме. Если диэлектрические свойства материала таковы, что любая утечка через него ничтожно мала (не влияет на работу схемы), то такой материал считается хорошим изолятором.

Полупроводники
Существуют вещества, которые по своей проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками.
Такие вещества называют полупроводниками. Они отличаются от проводников сильной зависимостью проводимости электрических зарядов от температуры, а также от концентрации примесей и могут иметь свойства, как проводников, так и диэлектриков.
В отличие от металлических проводников, у которых с ростом температуры проводимость уменьшается, у полупроводников проводимость растет с увеличением температуры, а сопротивление, как величина обратная проводимости — уменьшается.
При низких температурах сопротивление полупроводников, как видно из рис. 1, стремится к бесконечности.
Это значит, что при температуре абсолютного нуля полупроводник не имеет свободных носителей в зоне проводимости и в отличие от проводников ведёт себя, как диэлектрик.
При увеличении температуры, а также при добавлении примесей (легировании) проводимость полупроводника растет и он приобретает свойства проводника.
Рис. 1. Зависимость сопротивлений проводников и полупроводников от температуры
Примерами классических полупроводников являются такие химические элементы, как кремний (Si) и германий (Ge). Более подробно об этих элементах читайте в статье «О проводимости полупроводников».
Статьи по теме: 1. Что такое электрический ток?
                            2. Постоянный и переменный ток
                            3. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона
                            4. Направление электрического тока
                            5. О скорости распространения электрического тока
                            6. Электрический ток в жидкостях
                            7. Проводимость в газах
                            8. Электрический ток в вакууме
                            9. О проводимости полупроводников

Внимание!
Всех интересующихся практической электротехникой приглашаю на страницы своего нового сайта «Электрика для дома». Сайт посвящен основам электротехники и электричества с акцентом на домашние электрические установки и процессы, в них происходящие.
Урок 26. Лекция 26. Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Конденсаторы.
По электрическим свойствам все вещества разделяют на два больших класса — вещества, которые проводят электрический ток (проводники) и вещества, которые не проводят электрический ток (диэлектрики, или изоляторы).
Мы знаем, что все вещества состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из заряженных частиц. Если внешнее поле вокруг вещества отсутствует, то его частицы распределяются так, что суммарное электрическое поле внутри вещества равно нулю. Если вещество поместить во внешнее электрическое поле, то поле начет действовать на заряженные частицы и они перераспределяться так, что в веществе возникнет собственное электрическое поле. Полное электрическое поле складывается из внешнего поля и внутреннего поля создаваемого заряженными частицами вещества.
Проводник — это тело или материал, в котором электрические заряды начинают перемещаться под действием сколь угодно малой силы. Поэтому эти заряды называют свободными.
В металлах свободными зарядами являются электроны, в растворах и расплавах солей (кислот и щелочей) — ионы.
Диэлектрик — это тело или материал, в котором под действием сколь угодно больших сил заряды смещаются лишь на малое, не превышающее размеров атома расстояние относительно своего положения равновесия. Такие заряды называются связанными.
Рассмотрим подробнее эти классы веществ.
Проводники в электрическом поле.
Проводниками называют вещества, проводящие электрический ток.
Типичными проводниками являются металлы.
Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов ( в металлах это электроны), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника.
В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды. Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.

   Явление перераспределения зарядов внутри проводника под действием внешнего электрического поля называется электростатической индукцией.
Заряды, появляющиеся на поверхности проводника, называются индукционными зарядами.
   Индукционные заряды создают свое собственное поле , которое компенсирует внешнее поле во всем объеме проводника:
   (внутри проводника).
   Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.
Диэлектрики в электрическом поле.
   Диэлектриками (изоляторами) называют вещества, не проводящие электрического тока.
   В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.
   При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные нескомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.
   Связанные заряды создают электрическое поле , которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности внешнего поля . Этот процесс называется поляризацией диэлектрика.
   Электрической поляризацией называют особое состояние вещества, при котором электрический момент некоторого объёма этого вещества не равен нулю.
   В результате полное электрическое поле внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше внешнего поля .
   Физическая величина, равная отношению модуля напряженности внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности полного поля в однородном диэлектрике , называется диэлектрической проницаемостью вещества.

   Диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз напряженность поля в вакууме больше, чем в диэлектрике. Это величина безразмерная (нет единиц измерения).
   При поляризации неоднородного диэлектрика связанные заряды могут возникать не только на поверхностях, но и в объеме диэлектрика. В этом случае электрическое поле связанных зарядов и полное поле могут иметь сложную структуру, зависящую от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле   в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем строго справедливо только в случае однородного диэлектрика, заполняющего все пространство, в котором создано внешнее поле. В частности:
   Если в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд q, то напряженность поля , создаваемого этим зарядом в некоторой точке, и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме:

   Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная, электронная и ионная поляризации. Ориентационная и электронная механизмы проявляются главным образом при поляризации газообразных и жидких диэлектриков, ионная — при поляризации твердых диэлектриков.
Если двум изолированным друг от друга проводникам сообщить заряды q₁ и q₂, то между ними возникает некоторая разность потенциалов Δφ, зависящая от величин зарядов и геометрии проводников.
Разность потенциалов Δφ между двумя точками в электрическом поле часто называют напряжением и обозначают буквой U.
Наибольший практический интерес представляет случай, когда заряды проводников одинаковы по модулю и противоположны по знаку: q₁ = – q₂ = q. В этом случае можно ввести понятие электрической емкости.
Электроемкостью (электрической емкостью) проводников называется физическая величина, характеризующая способность проводника или системы проводников накапливать электрический заряд.
Электроемкость находится как отношение заряда q одного из проводников к разности потенциалов Δφ между ними:

В системе СИ единица электроемкости называется фарад [Ф]:
Величина электроемкости зависит от формы и размеров проводников и от свойств диэлектрика, разделяющего проводники.
Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле оказывается сосредоточенным (локализованным) лишь в некоторой области пространства. Такие системы называются конденсаторами, а проводники, составляющие конденсатор, называются обкладками.
Простейший конденсатор – плоский конденсатор – система из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика.
Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между пластинами; однако, вблизи краев пластин и в окружающем пространстве также возникает сравнительно слабое электрическое поле, которое называют полем рассеяния.
В целом ряде задач можно приближенно пренебрегать полем рассеяния и полагать, что электрическое поле плоского конденсатора целиком сосредоточено между его обкладками.
Электроемкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин (обкладок) и обратно пропорциональна расстоянию между ними.
Если пространство между обкладками заполнено диэлектриком, электроемкость конденсатора увеличивается в ε раз:
Примерами конденсаторов с другой конфигурацией обкладок могут служить сферический и цилиндрический конденсаторы.
Сферический конденсатор – это система из двух концентрических проводящих сфер радиусов R₁ и R₂.
Цилиндрический конденсатор – система из двух соосных проводящих цилиндров радиусов R₁ и R₂ и длины L.
Емкости этих конденсаторов, заполненных диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε, выражаются формулами:
— сферический конденсатор
— цилиндрический конденсатор
Для получения заданного значения емкости конденсаторы соединяются между собой, образуя батареи конденсаторов.
1) При параллельном соединении конденсаторов соединяются их одноименно заряженные обкладки.

Напряжения на конденсаторах одинаковы     U₁ = U₂ = U,  заряды равны q₁ = С₁U и    q₂ = С₂U.
Такую систему можно рассматривать как единый конденсатор электроемкости C, заряженный зарядом q = q₁ + q₂ при напряжении между обкладками равном U. Отсюда следует  или С = С₁ + С₂
Таким образом, при параллельном соединении электроемкости складываются.
2) При последовательном соединении конденсаторов соединяют разноименно заряженные обкладки
Заряды обоих конденсаторов одинаковы   q₁ = q₂ = q, напряжения на них равны  и
Такую систему можно рассматривать как единый конденсатор, заряженный зарядом q при напряжении между обкладками U = U₁ + U₂.
Следовательно,   или
При последовательном соединении конденсаторов складываются обратные величины емкостей.
Формулы для параллельного и последовательного соединения остаются справедливыми при любом числе конденсаторов, соединенных в батарею.
Т.е. в случае n конденсаторов одинаковой емкости С емкость батареи
при параллельном соединении С_общ = nС
при последовательном соединении С_общ = С/n
Если обкладки заряженного конденсатора замкнуть металлическим проводником, то по цепи пойдет электрический ток, лампочка загорится и будет гореть до тех пор, пока конденсатор не разрядится. Значит, заряженный конденсатор содержит запас энергии.
Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор.
Процесс зарядки конденсатора можно представить как последовательный перенос достаточно малых порций заряда Δq > 0 с одной обкладки на другую.При этом одна обкладка постепенно заряжается положительным зарядом, а другая – отрицательным. Поскольку каждая порция переносится в условиях, когда на обкладках уже имеется некоторый заряд q, а между ними существует некоторая разность потенциалов

при переносе каждой порции Δq внешние силы должны совершить работу

Энергия W_e конденсатора емкости C, заряженного зарядом q, может быть найдена путем интегрирования этого выражения в пределах от 0 до q:

Формулу, выражающую энергию заряженного конденсатора, можно переписать в другой эквивалентной форме, если воспользоваться соотношением q = CU.

Электрическую энергию W_e следует рассматривать как потенциальную энергию, запасенную в заряженном конденсаторе.
По современным представлениям, электрическая энергия конденсатора локализована в пространстве между обкладками конденсатора, то есть в электрическом поле. Поэтому ее называют энергией электрического поля.
Урок 1.6 Проводники и диэлектрики — Радиомастер инфо
Проводники и диэлектрики — основные вещества которые широко используются в электротехнике и имеют прямо противоположное назначение.
Проводники это вещества, в которых достаточное количество свободных электронов. При наличии разности потенциалов они проводят электрический ток.
Хорошими проводниками являются металлы, растворы кислот, щелочей, солей и просто вода с примесями.
Наиболее распространенными металлами, которые используются в качестве проводников, являются медь, алюминий, цинк, железо.
В измерительных приборах и дорогостоящей технике в качестве проводников применяют серебро. Иногда ним для улучшения проводимости покрывают только поверхность медных проводников.
Сопротивление проводников зависит от диаметра провода. Чем больше диаметр, тем меньше сопротивление, ниже потери и проводник меньше нагревается. Чем больше ток, тем толще должны быть проводники.
Чтобы медный проводник не перегревался, плотность тока не должна превышать норму. Эта норма зависит от условий охлаждения провода. Например, в открытых проводах она выше, в закрытых или рядом расположенных — ниже. В обмотках трансформаторов, где условия охлаждения намного хуже, плотность тока, как правило, не должна превышать 3 А/мм². При этом диаметр медного провода для требуемого значения тока рассчитывают по формуле:
D(мм) = 0,8 × √I(А)
D – диаметр, в мм, I – ток, в А.
Если нет на замену перегоревшего предохранителя, то его можно восстановить, запаяв в предохранитель медный провод, диаметр которого рассчитывают по формуле:
D(мм) = 0,034 × I_пл (А) + 0,005
Эту формула применяют если рассчитанное значение диаметра не превышает 0,2 мм.
Для удобства ниже в таблице приведена информация для быстрого определения диаметра провода используемого в качестве предохранителя:
Ток, А
Диаметр провода в мм
Медь
Алюминий
Сталь
Олово
1
0,039 0,066 0,132
0,183
2
0,07 0,104 0,189 0,285
3
0,107
0,137 0,245 0,380
5
0,18 0,193 0,346
0,53
7
0,203 0,250 0,45 0,66
10
0,250
0,305 0,55 0,85
15 0,32 0,40 0,72
1,02
20
0,39 0,485 0,87 1,33
25 0,46 0,56 1,0
1,56
30
0,52
0,64 1,15 1,77
35
0,58 0,70 1,26 1,95
40
0,63 0,77 1,38
2,14
45
0,68
0,83 1,5 2,3
50
0,73 0,89 1,6
2,45
В следующей таблице для информации приведены основные параметры, часто применяемых материалов:
Материал Удельное сопротивление, Ом*мм² м(р) Удельный вес, г/см³ Температура плавления, ^oС
Медь 0,0175 8,9 1085
Алюминий 0,0281 2,7 658
Железо 0,135 7,8 1530
Никелин 0,4 8,8 1100
Константан 0,49 8,9 1200
Манганин 0,43 8,4 910
Нихром 1.1 8,2 1550

Чтобы не считать по формуле, сечение монтажного медного провода можно выбрать в зависимости от тока по таблице:

Сечение провода, мм² 0,05 0,07 0,1 0,2 0,3 0,5 0,7 1 1,5 2 4 6 10
Допустимый ток, А 0,7 1 1,3 2,5 3,5 5 7 10 14 17 25 30 45

Сечение провода связано с диаметром следующим образом:
S = 0,785 D²
Алюминиевый провод, при том же диаметре, что и медный, допускает ток в среднем на 23% меньший.
Диэлектрики это вещества, в которых отсутствуют свободные электроны. Они не проводят электрический ток, их еще называют изоляторами.
К ним относятся: слюда, пластмассы, стекло, гетинакс, стеклотекстолит, фарфор, каучук, смолы, дистиллированная вода, воздух и т.д.
Основными электрическими характеристиками диэлектриков являются удельное сопротивление «ρ» и электрическая прочность «Е_пр».
Удельное сопротивление показывает величину сопротивления в Ом, при его толщине величиной 1 см.
Электрическая прочность показывает предельную величину напряжения в вольтах, при которой диэлектрик не разрушается, (не наступает пробой) и он сохраняет свои изоляционные свойства.
Удельное сопротивление ρ и электрическая прочность Е_пр некоторых твёрдых диэлектриков, используемых в качестве изоляционных материалов приведена ниже в таблице:
Диэлектрический материал Удельное сопротивление, ρ, ом·см |Диэлектрическая проницаемость,   Е_пр, в/см
Кварцевое стекло 10¹⁶-10¹⁸ 2-3·10⁵
Полиэтилен 10¹⁵-10¹⁶ 4·10⁵
Слюда 10¹⁴-10¹⁶ 1-2·10⁶
| Электрофарфор                              10¹³-10¹⁴ 3·10⁵
Мрамор 10⁸-10⁹ 2-3·10⁵

Так же для диэлектриков важны и другие их свойства, а именно:
Физико – химические
Нагревостойкость – способность выдерживать повышение температуры
Холодностойкость – способность переносить перепады температур
Смачиваемость – способность отторгать влагу
Химические
Противостояние агрессивной среде
Способность склеиваться
Растворение в растворителях
Механические
Способность выдерживать механические нагрузки
Защита от коррозии
Гибкость, элластичность
Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики
Определения понятий проводник, полупроводник и диэлектрик в электрическом поле. Какое отличие между перечисленными материалами.

В электричестве выделяют три основных группы материалов – это проводники, полупроводники и диэлектрики. Основным их отличием является возможность проводить ток. В этой статье мы рассмотрим, чем отличаются эти виды материалов и как они ведут себя в электрическом поле. Содержание:
Что такое проводник
Вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов, называют проводником. Движение свободных носителей называют тепловым. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) – величина обратная сопротивлению.
G=1/R
Говоря простыми словами – проводник проводит ток.
К таким веществам можно отнести металлы, но если говорить о неметаллах то, например, углерод – отличный проводник, нашел применение в скользящих контактах, например, щетки электродвигателя. Влажная почва, растворы солей и кислот в воде, тело человека – тоже проводит ток, но их электропроводность зачастую меньше, чем у меди или алюминия, например.
Металлы являются отличными проводниками, как раз таки благодаря большому числу свободных носителей зарядов в их структуре. Под воздействием электрического поля заряды начинают перемещаться, а также перераспределяться, наблюдается явление электростатической индукции.
Что такое диэлектрик
Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, или проводят, но очень плохо. В них нет свободных носителей зарядов, потому что связь частиц атома достаточно сильная, для образования свободных носителей, поэтому под воздействием электрического поля тока в диэлектрике не возникает.
Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухая древесина, резина – являются диэлектриками и не проводят электрический ток. В быту диэлектрики встречаются повсеместно, например, из них делаются корпуса электроприборов, электрические выключатели, корпуса вилок, розеток и прочее. В линиях электропередач изоляторы выполняются из диэлектриков.
Однако, при наличии определенных факторов, например повышенный уровень влажности, напряженность электрического поля выше допустимого значения и прочее – приводят к тому, что материал начинает терять свои диэлектрические функции и становится проводником. Иногда вы можете слышать фразы типа «пробой изолятора» — это и есть описанное выше явление.
Если сказать кратко, то основными свойствами диэлектрика в сфере электричества являются электроизоляционные. Именно способность препятствовать протеканию тока защищает человека от электротравматизма и прочих неприятностей. Основной характеристикой диэлектрика является электрическая прочность – величина равная напряжению его пробоя.
Что такое полупроводник
Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных условий – сообщении веществу энергии в нужных количествах. Это связано с тем, что свободных носителей (дырок и электронов) зарядов слишком мало или их вовсе нет, но если приложить какое-то количество энергии – они появятся. Энергия может быть различных форм – электрической, тепловой. Также свободные дырки и электроны в полупроводнике могут возникать под воздействием излучений, например в УФ-спектре.
Где применяются полупроводники? Из них изготавливают транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы, светодиоды и прочее. К таким материалам относят кремний, германий, смеси разных материалов, например арсенид-галия, селен, мышьяк.
Чтобы понять, почему полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, нужно рассматривать эти материалы с точки зрения зонной теории.
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.
Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:
Наверняка вы не знаете:
Причины потерь электроэнергии на больших расстояниях
Зависимость сопротивления проводника от температуры
Что такое диэлектрические потери
Что такое электрический заряд

Нравится0)Не нравится0)
PPT — Conductors and Dielectrics PowerPoint Presentation, скачать бесплатно
Conductors and Dielectrics • Проводники • Ток, плотность тока, скорость дрейфа, непрерывность • Энергетические диапазоны в материалах • Подвижность, закон микро / макро Ома • Граничные условия на проводниках • Методы изображений • Диэлектрики • Поляризация, смещение, электрическое поле • Диэлектрическая проницаемость, восприимчивость, относительная диэлектрическая проницаемость • Исследование диэлектриков • Граничные условия на диэлектриках
Проводники и диэлектрики • Поляризация • Статическое выравнивание заряда в материале • Заряд выравнивается при изменении напряжения приложен, не перемещается дальше • Заряд пропорционален напряжению • Проводимость • Непрерывное движение заряда через материал • Входит с одной стороны, выходит с другой • Ток пропорционален напряжению • Реальные материалы • Пластмассы, керамика, стекло -> диэлектрики (возможно, некоторая проводимость) • Металлы -> проводники, полупроводники, сверхпроводники • Цемент, Bi osystems -> Оба (вода с высокой диэлектрической проницаемостью, солевой проводимостью)
n Ток и плотность тока • Базовое определение тока C / s = Амперы • Базовая плотность тока (Дж перп.поверхность) • Векторная плотность тока
Плотность тока и скорость заряда • Базовое определение тока • Объединение с предыдущим выражением • Дает плотность тока
Заряд и непрерывность тока • Ток, покидающий любую закрытую поверхность, является скоростью времени изменения заряда внутри этой поверхности • Использование теоремы о расходимости слева • Взятие производной по времени внутри интеграла • Уравнивание подынтегральных выражений Qi (t)
Пример — непрерывность заряда и тока • Заданная сферически симметричная плотность тока • Ток увеличивается от r = От 5 м до r = 6 м при t = 1 с • Плотность тока из уравнения неразрывности • Интеграл плотности заряда ρ w.Почему ток увеличивается? << Какая-то центральная отталкивающая сила!
Структура энергетических зон в трех типах материалов • Дискретные квантовые состояния расширяются в энергетические зоны в конденсированных материалах с перекрывающимися потенциалами • Валентная зона — крайняя заполненная зона • Зона проводимости — незаполненная зона с более высокой энергией • Структура зоны определяет тип материала • Изоляторы имеют большие энергетические зазоры, требующие большого количества энергии для подъема электронов в зону проводимости.Когда это происходит, диэлектрик выходит из строя. • В проводниках отсутствует энергетический зазор между валентной зоной и зоной проводимости, поэтому электроны перемещаются свободно. • Полупроводники имеют относительно небольшой энергетический зазор, поэтому небольшое количество энергии (приложенное через тепло, свет или электрическое поле) может поднимать электроны из валентной зоны в зону проводимости.
Свободные электроны ускоряются электрическим полем. Приложенная сила к электрону с зарядом Q = -e равна .Но на самом деле электроны постоянно сталкиваются с предметами (например, с конечной скоростью), поэтому они достигают равновесной или дрейфовой скорости: где e — подвижность электрона, выраженная в единицах м2 / Вс.Скорость дрейфа используется в плотности тока посредством: Итак, закон Ома в точечной форме (свойство материала) с проводимостью, заданной как: См / м (электроны / дырки) Закон Ома (микроскопическая форма) См / м (электроны)
Закон Ома (макроскопическая форма) • Для постоянного электрического поля • Закон Ома принимает вид • Перестановка дает • Или • Изменение геометрии • Зависимость проводимости от сопротивления
Пример закона Ома 1 • Проверка микроскопической формы закона Ома • Подвижность меди 0.0032 м2 / Вс • Плотность заряда
Пример закона Ома 2
Граничные условия для проводников • Отсутствие электрического поля внутри • В противном случае заряды отталкиваются к поверхности • Отсутствие тангенциального электрического поля на поверхности • В противном случае заряды перераспределить вдоль поверхности • Нормальное электрическое поле на поверхности • Нормальное смещение равно плотности заряда (закон Гаусса)
или На прямоугольном пути интегрирования мы используем, чтобы найти: диэлектрик n Они становятся незначительными, когда h приближается к нулю.Следовательно, проводник Более формально: Граничное условие для тангенциального электрического поля E
Закон Гаусса применяется к цилиндрической поверхности, показанной ниже : диэлектрик. Это сокращается до: когда h приближается к нулю n Следовательно, проводник Более формально: граничное условие для нормального смещения D
Тангенциальный E равен нулю На поверхности: нормальный D равен поверхностной плотности заряда Сводка
Пример — Граничные условия для проводников
PPT — Проводники и диэлектрики PowerPoint Презентация, скачать бесплатно
Проводники и диэлектрики • Проводники • Ток, плотность тока, скорость дрейфа, непрерывность • Энергетические диапазоны в материалах • Подвижность, микро / макро закон Ома • Граничные условия на проводниках • Методы изображения • Диэлектрики • Поляризация , смещение, электрическое поле • Диэлектрическая проницаемость, восприимчивость, относительная диэлектрическая проницаемость • Исследование диэлектриков • Граничные условия для диэлектриков
Проводники и диэлектрики • Поляризация • Статическое выравнивание заряда в материале • Заряд выравнивается при приложении напряжения, не перемещается дальше • Заряд пропорционален напряжению • Проводимость • Постоянное движение заряда через материал • Входит с одной стороны, выходит с другой • Сила тока пропорциональна напряжению • Реальные материалы • Пластмассы, керамика, стекло -> диэлектрики (возможно, некоторая проводимость) • Металлы -> проводники, полупроводники, сверхпроводники • Цемент, биосистемы -> Оба (высокий уровень воды диэлектрика, солевой проводимости)
n Ток и плотность тока • Базовое определение тока C / s = Амперы • Базовая плотность тока (Дж перп.поверхность) • Векторная плотность тока
Плотность тока и скорость заряда • Базовое определение тока • Объединение с предыдущим выражением • Дает плотность тока
Заряд и непрерывность тока • Ток, покидающий любую закрытую поверхность, является скоростью времени изменения заряда внутри этой поверхности • Использование теоремы о расходимости слева • Взятие производной по времени внутри интеграла • Уравнивание подынтегральных выражений Qi (t)
Пример — непрерывность заряда и тока • Заданная сферически симметричная плотность тока • Ток увеличивается от r = От 5 м до r = 6 м при t = 1 с • Плотность тока из уравнения неразрывности • Интеграл плотности заряда ρ w.Почему ток увеличивается? << Какая-то центральная отталкивающая сила!
Структура энергетических зон в трех типах материалов • Дискретные квантовые состояния расширяются в энергетические зоны в конденсированных материалах с перекрывающимися потенциалами • Валентная зона — крайняя заполненная зона • Зона проводимости — незаполненная зона с более высокой энергией • Структура зоны определяет тип материала • Изоляторы имеют большие энергетические зазоры, требующие большого количества энергии для подъема электронов в зону проводимости.Когда это происходит, диэлектрик выходит из строя. • В проводниках отсутствует энергетический зазор между валентной зоной и зоной проводимости, поэтому электроны перемещаются свободно. • Полупроводники имеют относительно небольшой энергетический зазор, поэтому небольшое количество энергии (приложенное через тепло, свет или электрическое поле) может поднимать электроны из валентной зоны в зону проводимости.
Свободные электроны ускоряются электрическим полем. Приложенная сила к электрону с зарядом Q = -e равна .Но на самом деле электроны постоянно сталкиваются с предметами (например, с конечной скоростью), поэтому они достигают равновесной или дрейфовой скорости: где e — подвижность электрона, выраженная в единицах м2 / Вс.Скорость дрейфа используется в плотности тока посредством: Итак, закон Ома в точечной форме (свойство материала) с проводимостью, заданной как: См / м (электроны / дырки) Закон Ома (микроскопическая форма) См / м (электроны)
Закон Ома (макроскопическая форма) • Для постоянного электрического поля • Закон Ома принимает вид • Перестановка дает • Или • Изменение геометрии • Зависимость проводимости от сопротивления
Пример закона Ома 1 • Проверка микроскопической формы закона Ома • Подвижность меди 0.0032 м2 / Вс • Плотность заряда
Пример закона Ома 2
Граничные условия для проводников • Отсутствие электрического поля внутри • В противном случае заряды отталкиваются к поверхности • Отсутствие тангенциального электрического поля на поверхности • В противном случае заряды перераспределить вдоль поверхности • Нормальное электрическое поле на поверхности • Нормальное смещение равно плотности заряда (закон Гаусса)
или На прямоугольном пути интегрирования мы используем, чтобы найти: диэлектрик n Они становятся незначительными, когда h приближается к нулю.Следовательно, проводник Более формально: Граничное условие для тангенциального электрического поля E
Закон Гаусса применяется к цилиндрической поверхности, показанной ниже : диэлектрик. Это сокращается до: когда h приближается к нулю n Следовательно, проводник Более формально: граничное условие для нормального смещения D
Тангенциальный E равен нулю На поверхности: нормальный D равен поверхностной плотности заряда Сводка
Пример — Граничные условия для проводников • Потенциал определяется как • Потенциал при (2 , -1,3) составляет 300 В.Также 300 В по всей поверхности, где • Таким образом, мы можем «вставить» проводник в области, если проводник следует гиперболе • Электрическое поле всегда перпендикулярно проводящей поверхности • Электрическое поле в точке 2, -1,3) • Ex = — 400 В / м, Ey = -200 В / м • Вниз и влево
Пример — Линии тока электрического поля • Наклон линии равен коэффициенту электрического поля • Перекомпоновка • Оценить на P (2, -1,3 ) -2
Пример граничного условия (с моего телефона) * * www.mathstudio.net
Теорема единственности утверждает, что если нам дана конфигурация зарядов и граничных условий , то будет существовать только одно решение для потенциала и электрического поля. В электрическом диполе поверхность вдоль плоскости симметрии является эквипотенциальной с V = 0. То же самое верно, если там находится заземленная проводящая плоскость. Таким образом, граничные условия и заряды идентичны в верхних полупространствах обеих конфигураций (не в нижней половине).Фактически, изображения положительных точечных зарядов проходят через проводящую плоскость, позволяя заменить проводник изображением. Распределение поля и потенциала в верхнем полупространстве теперь найти намного проще! Метод изображений
Каждый заряд в данной конфигурации будет иметь свое собственное изображение Формы изображений Заряды
Хотите найти поверхностную плотность заряда на проводящей плоскости в точке (2,5,0). Линия заряда 30 нКл проходит параллельно оси y при x = 0, z = 3.Первый шаг — заменить проводящую плоскость линией изображения с зарядом -30 нКл при z = -3. Пример метода изображения
Векторы от каждого заряда линии до точки наблюдения: электрических полей от каждого заряда линии Добавьте оба поля, чтобы получить: (компонент x отменяется) Пример метода изображения (продолжение) —
Электрическое поле в точке P составляет: Таким образом, смещение равно плотности заряда n D Пример метода изображения (продолжение)
Метод изображения с использованием потенциалов • Проводящая плоскость в точке x = 4 с вертикальным проводом спереди.• Потенциал для провода спереди при x = 6, y = 3: • Граничное условие для провода спереди при x = 6, y = 3: • Граничное условие для провода изображения сзади при x = 2, y = 3:
Метод изображения с использованием потенциалов (продолжение) • Общий потенциал становится равным • В точке (7, -1,5) дает • Чтобы получить электрическое поле, необходимо записать V (ρ) как V (x, y) и взять градиент
Диэлектрики • Материал имеет произвольно ориентированные диполи • Приложенное поле выравнивает диполи (отрицательный на выводе (+), положительный на выводе (-) • Эффект заключается в отмене приложенного поля, понижении напряжения • ИЛИ, увеличении заряда для поддержания напряжения • Либо увеличивает емкость C = Q / V
Обзор дипольного момента • Определить дипольный момент • Потенциал для диполя • Записывается в терминах дипольного момента и положения • Дипольный момент определяет «силу» заряда полярной молекулы (Q) и смещение (d) заряда
Введение электрического поля ma y увеличьте разделение зарядов на в каждом диполе и, возможно, переориентируйте диполи так, чтобы было некоторое совмещение, как показано здесь.Эффект небольшой, а здесь он сильно преувеличен! E Эффект заключается в увеличении P. n = заряд / объем p = поляризация отдельного диполя P = поляризация / объем Поляризация как сумма дипольных моментов (на объем)
E Поляризация около электродов положительная • Из диаграммы • Превышение положительный связанный заряд возле верхнего отрицательного электрода • Избыточный отрицательный связанный заряд возле нижнего положительного электрода • Остальной материал нейтрален • Избыточный заряд в связанных (красных) объемах • Запись с точки зрения поляризации • Запись аналогична закону Гаусса (обратите внимание на знак скалярного произведения, нормальный внешний оставляет противоположный заряд вложенным) — — — — — — — — — — — — — — — нейтральный отрицательный + + + + + + + + + + + + +
E Объединение общего, бесплатного и связанного положительный заряд • Общий, свободный и связанный заряд • Общий • Свободный • Связанный • Объединение — — — — — — — — — — — — — — — — нейтральный отрицательный + + + + + + + + + + + + +
D, P и E в диэлектрике • D непрерывный • Поляризация incr облегчает • E уменьшается • C / м2
Связанный заряд: Общий заряд: свободный заряд: плотности заряда Взяв предыдущие результаты и используя теорему о расходимости, мы находим выражения для формы точки:
Более сильный электрический поле приводит к большей поляризации в среде.В линейной среде соотношение между P и E линейно и определяется выражением: где e — электрическая восприимчивость среды. Теперь мы можем написать: где диэлектрическая проницаемость или относительная диэлектрическая проницаемость определяется как: ведущая к общей диэлектрической проницаемости среды: где электрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость
В изотропной среде диэлектрическая проницаемость инвариантна с направление приложенного электрического поля. Это не так в анизотропной среде (обычно кристалле), в которой диэлектрическая проницаемость будет изменяться при вращении электрического поля в определенных направлениях.В этом случае компоненты вектора плотности электрического потока необходимо оценивать отдельно через тензор диэлектрической проницаемости. Соотношение может быть выражено в форме: Изотропная и анизотропная среда
Диэлектрическая проницаемость материалов • Типичная диэлектрическая проницаемость для различных твердых тел и жидкостей. • Тефлон — 2 • Пластмассы — 3-6 • Керамика 8-10 • Титанаты> 100 • Ацетон 21 • Вода 78 • Фактическая диэлектрическая «постоянная» зависит от: • температуры • направления • напряженности поля • частоты • реальных и мнимых компонентов
Вариация с частотой • Поляризация заряда из-за: • Ионной (низкая частота) • Ориентации (средняя, микроволновая) • Атомной (ИК) • Электронной (видимой, УФ) • Диэлектрической релаксации • При увеличении частоты молекула не может более длинная «дорожка».• Реальная диэлектрическая проницаемость уменьшается и мнимые пики диэлектрической проницаемости • В среднем и микроволновом диапазоне • Вращение, переориентация и т.д. >> • Моделирование: • Диаграммы диэлектрической проницаемости и импеданса. • Статистические функции релаксации (Дебай, Коул Дэвидсон).
Применение для полимерных композитов • Диэлектрическая проницаемость эпоксидной смолы 10 Гц -10 МГц • Вращение полярных групп в эпоксидной смоле. • Низкочастотный диапазон 10 Гц — 10 МГц. • Переход между диэлектрической проницаемостью и потерей на частоте 1 МГц при –4 ° C.• Частота переходов увеличивается с повышением температуры. www.msi-sensing.com
Диэлектрическая проницаемость эпоксидной смолы 1 МГц -1 ГГц • Аэрокосмическая смола Hexcel 8552. • Высокочастотный диапазон 1 МГц — 1 ГГц. • Постоянная температуры 125 ° C, переход уменьшается по мере отверждения. • Метод измерения TDR. www.msi-sensing.com
Диэлектрическая проницаемость эпоксидной смолы во время полного цикла отверждения www.msi-sensing.com
Применение для гидратации цемента • Электропроводность цемента — вариация в зависимости от отверждения • Мнимый аналог реальной диэлектрическая проницаемость ( »).• Умножьте на , чтобы удалить степенной закон (o ’). • Снижение ионной проводимости, рост промежуточного элемента при отверждении • Частота промежуточного элемента не соответствует диэлектрической проницаемости www.msi-sensing.com
Цементное отверждение — модель диэлектрической релаксации Требования: • Обеспечение свободной релаксации, два промежуточных элемента -частотная релаксация • Обеспечить проводимость и поляризацию электродов Дебая бесплатно и в среде. Коул-Дэвидсон для низкого. (литература, биосистемы) Комбинированные 9 переменных подходят для всего диапазона, реальные и мнимые, двухэтапная подгонка, f = 8.2 шт. Www.msi-sensing.com
Цементное отверждение — фитинг модели • Соответствует диэлектрической проницаемости — как с низкой, так и со свободной релаксацией. • Подходит для проводимости — как средней, так и свободной релаксации. • Подходит для поляризации диэлектрической проницаемости. • Соответствует базовому уровню проводимости. www.msi-sensing.com
Другие области применения • Другие области применения • Био • Жидкие кристаллы • Композитные полимеры • Титанаты • Беспроводное определение характеристик • Красители для МРТ • Мониторинг грунтовых вод • Определение характеристик бурового раствора (GPR)
Поскольку E является консервативным, мы устанавливаем линейный интеграл, охватывающий обоих диэлектриков: левая и правая стороны исключаются, поэтому ведение к непрерывности для тангенциального E Граничное условие для тангенциального электрического поля E и разрыв для тангенциального DE такое же, D выше для материала с высокой диэлектрической проницаемостью
n Применить закон Гаусса к цилиндрическому объему, охватывающему оба диэлектрика. Поток входит и выходит только через верхнюю и нижнюю поверхности, ноль на сторонах Граничное условие для нормального смещения D, ведущее к непрерывности для нормального D (для ρS = 0) И разрыв для нормального ЭД такая же.E ниже в материале с высокой диэлектрической проницаемостью
Изгиб D на границе • Граничные условия • DN непрерывный • Тригонометрия • Устранение DN высокий низкий
Пример • Тефлон εr = 2,1 • Смещение и поляризация снаружи • Смещение и Поляризация внутри • На границе D непрерывная, поэтому внутри
Пример (продолжение) • Поляризация вверх, поле E вниз, D сохраняет непрерывность
Пример
Тест 2 — Задача 4.21
PPT — Диэлектрики PowerPoint Presentation, скачать бесплатно
Диэлектрики • Проводник имеет свободные электроны. • Диэлектрические электроны прочно связаны с атомом. • В диэлектрике внешнее электрическое поле Eext не может вызвать массовую миграцию зарядов, поскольку ни один из них не может двигаться свободно. • Но Eext может поляризовать атомы или молекулы в материале. • Поляризация представлена электрическим диполем.
Обратите внимание, что поле приложит силу как к положительно заряженному ядру , так и к отрицательно заряженному электрону.Однако эти силы будут перемещать эти частицы в противоположных направлениях. • Обратите внимание, был создан электрический диполь!
D, плотность потока пропорционально увеличивается по мере увеличения поляризации за счет индукции диэлектрической проницаемости, ε материала, связывающего диэлектрическую проницаемость E и D, ε = пропорционально диэлектрической проницаемости свободного пространства, ε0 ε = εrε0
Однако электрон может оторваться от атома, создавая положительный ион и свободный электрон.• Мы называем эти заряды свободными, и электрическое поле заставляет их двигаться в противоположных направлениях: • Движущийся заряд — это электрический ток J (r).
Электрические граничные условия • Электрическое поле может быть непрерывным в каждой из двух разнородных сред • Но электрическое поле может прерываться на границе между ними • Граничные условия определяют, как тангенциальная и нормальная составляющие поля в одной среде связаны с компонентами в другой среде через границу • Две разные среды могут быть: два разных диэлектрика, или проводник и диэлектрик, или два проводника
Граница диэлектрик-диэлектрик • Интерфейс между двумя диэлектрическими средами
Граница диэлектрик-диэлектрик • На основе рисунка на предыдущем слайде: • Первое граничное условие, связанное с тангенциальными компонентами электрического поля E: • Второе граничное условие, связанное с нормальными компонентами электрического поля E: • ИЛИ
z ε1 E2 Ez2 Exy1 Exy2 xy — плоскость ε2 Ez1 E1
900 03 xy • Решение: • Exy1 = Exy2, таким образом, Exy2 = 3ax + 4ay • Ez1 = 5az, • но, Ez2 = ?? • 2ε0 (5az) = 5ε0 (Ez2) • Ez2 = 2az • таким образом, E2 = 3az + 4ay + 2az ε1 = 2ε0 ε2 = 5ε0 E2 Пример 1: 1) Найти E2 в диэлектрике, когда E1 = 3ax + 4ay + 5az , 2) И найти 1 и Ө2.Ө2 z Ө1 E1
z ε1 = 2ε0 Найдите E1, если E2 = 2x -3y + 3z с s = 3,54 x 10-11 (Кл / м2), и найдите Ө1 и Ө2 Ө2 E2 xy ε2 = 8ε0 E1 Ө1
Граница между проводником и проводником • Граница между двумя проводящими средами: • Использование 1-го и 2-го граничных условий: и
xy J2 Jxy2 Jz1 Jz2 z Jxy1 J1
Проводник border • В проводящих средах электрические поля приводят к увеличению плотности тока.• От, мы имеем: и • Нормальный компонент J должен быть непрерывным на границе между двумя различными средами в электростатических условиях.
Граница проводник-проводник • Таким образом, после задания мы нашли граничное условие для границы проводник-проводник:
Граница диэлектрик-проводник • Предположим, что среда 1 является диэлектриком • Среда 2 идеальна проводник
Идеальный проводник • Когда проводящая плита находится во внешнем электрическом поле, • Заряды, которые накапливаются на поверхностях проводника, создают внутреннее электрическое поле. • Следовательно, полное поле внутри проводника равно нулю.
Граница диэлектрик-проводник • Поля в диэлектрической среде на границе с проводником. • Поскольку, отсюда следует, что. • Используя уравнение,, • получаем: • Отсюда граничное условие на поверхности проводника: где = вектор нормали, направленный наружу
Граница диэлектрик-проводник • На основе рисунка на предыдущем слайде: • В идеальном проводнике, • Следовательно, • Это требует, чтобы касательная и нормальная компоненты E2 и D2 были равны нулю.
Емкость • Конденсатор — два проводящих тела, разделенных диэлектрической средой ρs = Q / A ε1 ρs = поверхностная плотность заряда Q = заряд (+ ve / -ve) A = площадь поверхности E = ρs / ε EEE ε2 E = 0 / V = 0 на поверхности
Емкость • Емкость определяется как: где: V = разность потенциалов (В) Q = заряд (C) C = емкость (F)
Пример 7 Получите выражение для емкости C конденсатора с параллельными пластинами, состоящего из двух параллельных пластин, каждая с площадью поверхности A и разделенных расстоянием d.Конденсатор заполнен диэлектрическим материалом с проницаемостью ε.
Решение для примера 7 • выражение для емкости C = Q / V и • разница напряжений • Следовательно, емкость равна: ρs = Q / A
Пример 8 Используйте теорию изображений для определить E в произвольной точке P (x, y, z) в области z> 0 за счет заряда Q в свободном пространстве на расстоянии d над заземленной проводящей плоскостью.
Решение примера 8 • Заряд Q находится в точке (0, 0, d), а его изображение -Q находится в точке (0,0, -d) в декартовых координатах.Используя закон Кулона, E в точке P (x, y, z) из-за двух точечных зарядов:
Электростатическая потенциальная энергия • Предположим, что конденсатор с пластинами из хороших проводников — нулевое сопротивление, • Диэлектрическая проницаемость между двумя проводниками незначительна проводимость, σ≈ 0 — ток не может протекать через диэлектрик • В конденсаторе нет омических потерь • Когда источник подключен к конденсатору, энергия накапливается в конденсаторе • Энергия заряда сохраняется в виде потенциальной электростатической энергии в диэлектрическая среда
Электростатическая потенциальная энергия • Электростатическая потенциальная энергия, • Емкость: • Следовательно, We для конденсатора с параллельными пластинами:
Метод изображения • Теория изображения утверждает, что заряд Q над заземленным идеально проводящая плоскость равна Q, а ее изображение – Q без заземляющей плоскости.
электричество | Определение, факты и типы
Электростатика — это изучение электромагнитных явлений, возникающих при отсутствии движущихся зарядов, то есть после установления статического равновесия. Заряды быстро достигают положения равновесия, потому что электрическая сила чрезвычайно велика. Математические методы электростатики позволяют рассчитывать распределения электрического поля и электрического потенциала по известной конфигурации зарядов, проводников и изоляторов.И наоборот, имея набор проводников с известными потенциалами, можно рассчитать электрические поля в областях между проводниками и определить распределение заряда на поверхности проводников. Электрическую энергию набора зарядов в состоянии покоя можно рассматривать с точки зрения работы, необходимой для сборки зарядов; в качестве альтернативы, можно также считать, что энергия находится в электрическом поле, создаваемом этой сборкой зарядов. Наконец, энергия может храниться в конденсаторе; энергия, необходимая для зарядки такого устройства, хранится в нем как электростатическая энергия электрического поля.
Изучите, что происходит с электронами двух нейтральных объектов, тренных друг о друга в сухой среде.
Объяснение статического электричества и его проявлений в повседневной жизни.
Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео к этой статье
Статическое электричество — это знакомое электрическое явление, при котором заряженные частицы передаются от одного тела к другому. Например, если два предмета трутся друг о друга, особенно если они являются изоляторами, а окружающий воздух сухой, предметы приобретают одинаковые и противоположные заряды, и между ними возникает сила притяжения.Объект, теряющий электроны, становится заряженным положительно, а другой — отрицательно. Сила — это просто притяжение между зарядами противоположного знака. Свойства этой силы описаны выше; они включены в математическое соотношение, известное как закон Кулона. Электрическая сила, действующая на заряд Q ₁ в этих условиях, вызванная зарядом Q ₂ на расстоянии r , определяется законом Кулона,
Жирным шрифтом в уравнении обозначается вектор характер силы, а единичный вектор r̂ — это вектор, размер которого равен единице, и который указывает от заряда Q ₂ до заряда Q ₁.Константа пропорциональности k равна 10 ⁻⁷ c ², где c — скорость света в вакууме; k имеет числовое значение 8,99 × 10 ⁹ ньютон-квадратный метр на квадратный кулон (Нм ² / C ²). На рисунке 1 показано усилие на Q ₁ из-за Q ₂. Числовой пример поможет проиллюстрировать эту силу. И Q ₁, и Q ₂ выбраны произвольно в качестве положительных зарядов, каждый с величиной 10 ⁻⁶ кулонов.Заряд Q ₁ расположен в координатах x , y , z со значениями 0,03, 0, 0 соответственно, а Q ₂ имеет координаты 0, 0,04, 0. Все координаты указаны в метрах. Таким образом, расстояние между Q ₁ и Q ₂ составляет 0,05 метра.
электрическая сила между двумя зарядами
Рисунок 1: Электрическая сила между двумя зарядами.
Предоставлено Департаментом физики и астрономии Мичиганского государственного университета Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишитесь сейчас
Величина силы F на заряде Q ₁, рассчитанная по уравнению (1), составляет 3,6 ньютона; его направление показано на рисунке 1. Сила, действующая на Q ₂ из-за Q ₁, составляет — F , что также имеет величину 3,6 ньютона; его направление, однако, противоположно направлению F . Сила F может быть выражена через ее компоненты по осям x и y , поскольку вектор силы лежит в плоскости x y .Это делается с помощью элементарной тригонометрии из геометрии рисунка 1, и результаты показаны на рисунке 2. Таким образом, в ньютонах. Закон Кулона математически описывает свойства электрической силы между зарядами в состоянии покоя. Если заряды имеют противоположные знаки, сила будет притягивающей; притяжение будет обозначено в уравнении (1) отрицательным коэффициентом единичного вектора r̂. Таким образом, электрическая сила на Q ₁ будет иметь направление, противоположное единичному вектору r̂ , и будет указывать от Q ₁ на Q ₂.В декартовых координатах это приведет к изменению знаков как x , так и y составляющих силы в уравнении (2).
компоненты кулоновской силы
Рисунок 2: Компоненты силы x и y силы F на рисунке 4 (см. Текст).
Предоставлено Департаментом физики и астрономии Университета штата Мичиган
Как можно понять эту электрическую силу, действующую на Q ₁? По сути, сила обусловлена наличием электрического поля в позиции Q ₁.Поле создается вторым зарядом Q ₂ и имеет величину, пропорциональную размеру Q ₂. При взаимодействии с этим полем первый заряд на некотором расстоянии либо притягивается, либо отталкивается от второго заряда, в зависимости от знака первого заряда.
электричество | Определение, факты и типы
Электростатика — это изучение электромагнитных явлений, возникающих при отсутствии движущихся зарядов, то есть после установления статического равновесия.Заряды быстро достигают положения равновесия, потому что электрическая сила чрезвычайно велика. Математические методы электростатики позволяют рассчитывать распределения электрического поля и электрического потенциала по известной конфигурации зарядов, проводников и изоляторов. И наоборот, имея набор проводников с известными потенциалами, можно рассчитать электрические поля в областях между проводниками и определить распределение заряда на поверхности проводников.Электрическую энергию набора зарядов в состоянии покоя можно рассматривать с точки зрения работы, необходимой для сборки зарядов; в качестве альтернативы, можно также считать, что энергия находится в электрическом поле, создаваемом этой сборкой зарядов. Наконец, энергия может храниться в конденсаторе; энергия, необходимая для зарядки такого устройства, хранится в нем как электростатическая энергия электрического поля.
Изучите, что происходит с электронами двух нейтральных объектов, тренных друг о друга в сухой среде.
Объяснение статического электричества и его проявлений в повседневной жизни.
Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео к этой статье
Статическое электричество — это знакомое электрическое явление, при котором заряженные частицы передаются от одного тела к другому. Например, если два предмета трутся друг о друга, особенно если они являются изоляторами, а окружающий воздух сухой, предметы приобретают одинаковые и противоположные заряды, и между ними возникает сила притяжения. Объект, теряющий электроны, становится заряженным положительно, а другой — отрицательно.Сила — это просто притяжение между зарядами противоположного знака. Свойства этой силы описаны выше; они включены в математическое соотношение, известное как закон Кулона. Электрическая сила, действующая на заряд Q ₁ в этих условиях, вызванная зарядом Q ₂ на расстоянии r , определяется законом Кулона,
Жирным шрифтом в уравнении обозначается вектор характер силы, а единичный вектор r̂ — это вектор, размер которого равен единице, и который указывает от заряда Q ₂ до заряда Q ₁.Константа пропорциональности k равна 10 ⁻⁷ c ², где c — скорость света в вакууме; k имеет числовое значение 8,99 × 10 ⁹ ньютон-квадратный метр на квадратный кулон (Нм ² / C ²). На рисунке 1 показано усилие на Q ₁ из-за Q ₂. Числовой пример поможет проиллюстрировать эту силу. И Q ₁, и Q ₂ выбраны произвольно в качестве положительных зарядов, каждый с величиной 10 ⁻⁶ кулонов.Заряд Q ₁ расположен в координатах x , y , z со значениями 0,03, 0, 0 соответственно, а Q ₂ имеет координаты 0, 0,04, 0. Все координаты указаны в метрах. Таким образом, расстояние между Q ₁ и Q ₂ составляет 0,05 метра.
электрическая сила между двумя зарядами
Рисунок 1: Электрическая сила между двумя зарядами.
Предоставлено Департаментом физики и астрономии Мичиганского государственного университета Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишитесь сейчас
Величина силы F на заряде Q ₁, рассчитанная по уравнению (1), составляет 3,6 ньютона; его направление показано на рисунке 1. Сила, действующая на Q ₂ из-за Q ₁, составляет — F , что также имеет величину 3,6 ньютона; его направление, однако, противоположно направлению F . Сила F может быть выражена через ее компоненты по осям x и y , поскольку вектор силы лежит в плоскости x y .Это делается с помощью элементарной тригонометрии из геометрии рисунка 1, и результаты показаны на рисунке 2. Таким образом, в ньютонах. Закон Кулона математически описывает свойства электрической силы между зарядами в состоянии покоя. Если заряды имеют противоположные знаки, сила будет притягивающей; притяжение будет обозначено в уравнении (1) отрицательным коэффициентом единичного вектора r̂. Таким образом, электрическая сила на Q ₁ будет иметь направление, противоположное единичному вектору r̂ , и будет указывать от Q ₁ на Q ₂.В декартовых координатах это приведет к изменению знаков как x , так и y составляющих силы в уравнении (2).
компоненты кулоновской силы
Рисунок 2: Компоненты силы x и y силы F на рисунке 4 (см. Текст).
Предоставлено Департаментом физики и астрономии Университета штата Мичиган
Как можно понять эту электрическую силу, действующую на Q ₁? По сути, сила обусловлена наличием электрического поля в позиции Q ₁.Поле создается вторым зарядом Q ₂ и имеет величину, пропорциональную размеру Q ₂. При взаимодействии с этим полем первый заряд на некотором расстоянии либо притягивается, либо отталкивается от второго заряда, в зависимости от знака первого заряда.
19,5 Конденсаторы и диэлектрики — College Physics
19,5 Конденсаторы и диэлектрики — College Physics | OpenStaxSkip к содержанию
Предисловие
1 Введение: Природа науки и физики
Введение в науку и область физики, физических величин и единиц измерения
1.1 Физика: Введение
1.2 Физические величины и единицы
1.3 Точность, прецизионность и значащие числа
1.4 Приближение
Глоссарий
Краткое содержание раздела
Концептуальные вопросы
Задачи и упражнения
9055
90
909 — Введение Одномерная кинематика
2.1 Смещение
2.2 Векторы, скаляры и системы координат
2.3 Время, скорость и скорость
2.4 Ускорение
2.5 Уравнения движения для постоянного ускорения в одном измерении
2.6 Основы решения проблем для одномерной кинематики
2.7 Падающие объекты
2.8 Графический анализ одномерного движения
Глоссарий
Краткое содержание раздела
Вопросы
Задачи и упражнения
3 Двумерная кинематика
Введение в двумерную кинематику
3.1 Кинематика в двух измерениях: введение
3.2 Сложение и вычитание векторов: графические методы
3.3 Сложение и вычитание векторов: аналитические методы
3.4 Движение снаряда
3.5 Сложение скоростей
Глоссарий
Краткое содержание раздела
Задачи и упражнения
4 Динамика: сила и законы движения Ньютона
Введение в динамику: законы движения Ньютона
4.1 Разработка концепции силы
4,2 Первый закон движения Ньютона: инерция
4,3 Второй закон движения Ньютона: концепция системы
4,4 Третий закон движения Ньютона: симметрия сил
4,5 Примеры нормалей, натяжения и других of Forces
4.6 Стратегии решения проблем
4.7 Дальнейшие применения законов движения Ньютона
4.8 Расширенная тема: Четыре основных силы — Введение
Глоссарий
Краткое содержание раздела
Концептуальные вопросы
Задачи и упражнения
5 Дальнейшие применения законов Ньютона: трение, сопротивление и упругость
Введение: дополнительные применения законов Ньютона
5.1 Трение
5.2 Силы сопротивления
5.3 Упругость: напряжение и деформация
Глоссарий
Сводка раздела
Концептуальные вопросы
Задачи и упражнения
6 Равномерное круговое движение и гравитация Введение в гравитацию
909
6.1 Угол поворота и угловая скорость
6.2 Центростремительное ускорение
6.3 Центростремительная сила
6.4 Фиктивные силы и неинерциальные системы координат: сила Кориолиса
6.5 Универсальный закон тяготения Ньютона
6.6 Спутники и законы Кеплера: аргумент в пользу простоты
Глоссарий
Резюме раздела
Концептуальные вопросы
Задачи и упражнения
7 Работа, энергия и энергетические ресурсы 9095 7 Работа, энергия и энергетические ресурсы 9095 Работа, энергия и энергетические ресурсы
7.1 Работа: научное определение
7.2 Кинетическая энергия и теорема работы-энергии
7.3 Гравитационная потенциальная энергия
7.4 Консервативные силы и потенциальная энергия
7.5 Неконсервативные силы
7.6 Сохранение энергии
7.7 Энергия
7.8 Работа, энергия и мощность у людей
7.9 Мировое потребление энергии
Глоссарий
Краткое содержание раздела
Задачи и упражнения
8 Линейный импульс и столкновения
.