Conductori, dielectrici și semiconductori
1. Conductori de curent electric. Fenomenul inducției electrostatice. Toate substanțele, în funcție de conductivitatea electrică, sunt împărțite în conductori, dielectrice și semiconductori. Conductorii vin prima și a doua naștere. Conductorii de primul tip includ toate metalele și aliajele lor. Grinzile de cristal ale unui metal constau dintr-o serie de ioni pozitivi, între care electronii liberi se mișcă în toate direcțiile. În absența unui câmp electric extern, electronii liberi se mișcă în mod aleatoriu, adică în direcții foarte diferite. Plasăm un conductor metalic sub forma unei plăci în câmpul electric al unui condensator plat de rezistență E (fig.1.15). Sub acțiunea forțelor de câmp, electronii liberi ai plăcii metalice se vor deplasa pe placa încărcată pozitiv a condensatorului și se vor acumula pe o suprafață a AG, creând o sarcină de inducție negativă - Qind. Pe cealaltă suprafață a plăcii BW, va apărea aceeași încărcare pozitivă + Qind.
Astfel, în placă va exista o separare a încărcăturilor electrice. Destul de repede, încărcarea Qind va ajunge la o încărcare pe plăcile condensatorului Q. După aceasta, separarea sarcinilor electrice în conductor va înceta. Fenomenul de separare a sarcinilor electrice într-un corp conductor sub influența unui câmp electric extern este numit inducție electrostatică.
Încărcăturile de inducție electrostatică + Qind și - Qind vor crea în conductor un câmp intern cu intensitate Eind direcționat opus câmpului exterior. Atunci când sarcinile Qinq = Q sunt egale, tensiunile sunt egale: Erez = E. Astfel, în interiorul conductorului metalic apare un câmp intern, echilibrând complet câmpul extern. Prin urmare, intensitatea câmpului rezultat în interiorul conductorului va fi zero, adică Erez = E - Einq = 0. Din cauza absenței unui câmp electrostatic în interiorul conductorului, toate punctele sale au același potențial. Prin urmare, suprafața conductorului este o suprafață echipotențială, iar volumul său este volumul echipotențial al câmpului electric rezultat. Câmpul electric va fi absent nu numai în conductorul solid, ci și în interiorul carcasei metalice (Figura 1.16). Această proprietate este folosită pentru a proteja dispozitivele de efectele câmpurilor electrostatice străine. În acest scop, dispozitivul P este închis într-o manta metalică sau în rețea.
Conductorii de tipul doi includ săruri topite și soluții apoase de săruri, acizi, alcalii. Acești conductori sunt numiți electroliți. Când se dizolvă, o parte din molecule de sare, acid sau alcaline se descompun în ioni pozitivi și negativi, care se deplasează aleatoriu prin volumul electrolitului. Dar dacă un câmp electric este creat în electrolit, atunci sub acțiunea forțelor sale ionii vor veni într-o mișcare ordonată: ionii pozitivi se vor mișca în principal în direcția câmpului, iar ionii negativi se vor mișca în direcția opusă. O astfel de mișcare ordonată a ionilor este un curent electric.
Astfel, conform conductorilor de primul fel, electronii liberi se pot mișca, iar ionii urmează conductorii celui de-al doilea. 2. Dielectrice. Fenomenul de polarizare. Luați în considerare materialele numite dielectrice în ingineria electrică. Acestea includ ceramică, sticlă, mică, cuarț, azbest, materiale plastice, cauciuc, uleiuri minerale, vopsele, aer si altele. In functie de dielectrici lor condiție fizică sunt împărțite în solide, lichide și gazoase.
În dielectricii în condiții normale, spre deosebire de conductori, particulele electrice încărcate libere sunt aproape absente. Prin urmare, ele au conductivitate electrică neglijabilă, adică nu conduc curent electric. În anumite condiții, în dielectrică, moleculele se pot împărți în ioni (de exemplu, sub influența temperaturii înalte sau a unui câmp electric puternic). În acest caz, își pierd proprietățile izolatoare și devin dirijori. Am plasat în câmpul electric un condensator plat (Figura 1.17) o placă dielectrică. Dacă într-un conductor sub influența câmpului electric forțele particulelor încărcate se deplasează prin întregul volum al conductorului, atunci în dielectric nu poate avea loc mișcarea liberă a încărcăturilor electrice. Dar într-o moleculă a dielectricului există o deplasare a particulelor încărcate pozitiv de-a lungul direcției câmpului electric și a particulelor încărcate negativ în direcția opusă. Transmise și conectate simultan una cu cealaltă, particulele încărcate din moleculă formează un așa-numit dipol. Acest fenomen se numește polarizarea unui dielectric. Polarizarea sa este mai mare, cu atât este mai puternic câmpul electric.
Polarizarea majorității dielectricilor încetează complet cu dispariția câmpului extern. Doar un mic grup de dielectrice (sare Rochelle, titanat de bariu, titanat de plumb etc. D), cu dispariția câmpului extern, păstrează polarizarea reziduală. În detaliu, considerăm procesele într-un dielectric plasat într-un câmp electric extern, de exemplu, în domeniul unui condensator plat.
Pe suprafețele AB și SH ale dielectricului, îndreptate spre plăcile condensatorului, încărcările + Qp și Q sunt concentrate. În interiorul dielectricului, încărcăturile pozitive și negative ale dipolilor sunt reciproc echilibrate. Valorile de polarizare + Qpol și - Qpol creează un câmp electric intern (câmp de polarizare) îndreptat spre câmpul exterior. Câmpul rezultat în dielectric este determinat de sarcina totală a particulelor Qpez = Q - Qp. Acest câmp poate fi de asemenea reprezentat ca rezultat al suprapunerii a două câmpuri: un câmp extern cu o forță a lui E și un câmp intern cu o intensitate E0p0, atunci intensitatea câmpului rezultat în dielectric este Εрез = E - Епол.
Cu cât mai puternică dielectric polarizat, mai slab câmpul rezultant, t. E. Sub tensiunea Erez cu același domeniu extern și, în consecință, cu atât mai mare permitivitatea # 949;
3. Rezistența dielectrică. La o anumită intensitate a câmpului exterior E, se poate produce o distrugere locală a dielectricului cu formarea unei distrugeri de canal-dielectric cu conductivitate ridicată, ca urmare a pierderii proprietăților sale izolatoare și a transformării într-un conductor. Puterea câmpului electric la care are loc defectarea este un dielectric numit rezistență dielectrică sau rezistență la descompunere.
Valorile intensității de descompunere Epr (în condiții normale și într-un câmp constant constant) ale unor dielectrice sunt prezentate în Tabelul. 1.2. Tensiunea la care are loc o defecțiune dielectrică se numește o tensiune de defalcare.
Raportul tensiunii de desprindere Upr la grosimea dielectricului la punctul de descompunere d este egal cu intensitatea câmpului din defalcare, adică rezistența dielectrică:
Pentru funcționarea fiabilă a instalației, este necesar ca rezistența E să fie de câteva ori mai mică decât rezistența dielectrică. Raportul k = Epr / E se numește factorul de siguranță.
4. Semiconductori. Din valoarea semiconductorilor sale de conductivitate electrică ocupă o poziție intermediară între conductoarele și dielectricilor și au o serie de proprietăți asociate prezenței în ele a electronilor și gaură Elektroprom conductivitate. Tip P conductivitate din cauza deplasării sub un câmp electric de așa-numitele găuri, t. Locuri E. neocupată de valență electroni în atomi, care este echivalentă cu deplasarea particulelor încărcate pozitiv, taxele care sunt egale cu valoarea absolută a taxei de electroni. Conductivitatea electrică a semiconductorilor depinde într-o mare măsură de temperatură, impurități și iluminare. La temperaturi scăzute, semiconductorii au o rezistivitate mare și sunt practic izolatori. Pe măsură ce crește temperatura, rezistența lor specifică scade considerabil. În prezența impurităților, conductivitatea electrică a semiconductorilor variază. Semiconductorii sunt siliciu, germaniu, seleniu, oxid cupros, sulfură de plumb etc.
Exemplul 1.5. Între plăcile unui condensator plat există o hârtie parafinată cu grosime d = 0,04 mm. Determinați tensiunea între plăcile condensatorului la care se produce defectarea dielectrică, precum și tensiunea admisă, dacă marja de siguranță este k = 3,2.
Soluția. Conform tabelului. 1.2 luăm rezistența electrică a hârtiei Epr = 17,5 kV / mm. Tensiunea de defectare este Upr = Eprd = 17,5 · 0,04 = 0,7 kV = 700 V. Tensiunea admisă este Udp = Upr / k = 700 / 3,2 = 220 V.
Sarcină. Răspundeți la întrebările din fișa de control 1.5.
Graficul de control 1.5
PROVOCARI LA CAPITOLUL 1
1.1. Corpurile de două puncte cu încărcături Q1 = Q2 = 6 · 10-11 Кл sunt situate în aer la o distanță de 12 cm una de cealaltă. Determinați forța câmpului acestor încărcări la punctul B (Figura 1.18), dacă este pe perpendicularul SH la linia dreaptă AB și A = B, B = 8 cm.
1.2. Corpurile cu două puncte încărcate având aceeași mărime și opuse în sarcina semnului Q, sunt amplasate în aer, așa cum se arată în Fig. 1.19. Determinați valoarea încărcărilor, dacă la punctul A intensitatea câmpului EA = 90 V / m.
Răspuns: Q = 5,33 · 10-11 Cl.
1.3. Densitatea sarcinii de suprafata pe placile de condensatoare plate # 963; = 10-10 C / m2. Determinați forța care acționează asupra sarcinii de test pozitive q = 10-12 Cl, situată în câmpul electric al condensatorului.
Răspuns: F = 11,3 · 10-12 N.
1.4. Plăcile unui condensator plat au dimensiuni de 10 x 5 cm și sunt separate una de alta la o distanță de 3 mm. Determinați fluxul vectorului de intensitate a câmpului electric printr-un plan situat între plăcile paralele cu ele, dacă tensiunea dintre plăci este U = 120 V.
Răspuns: N = 200 V · m.
1.5. O tensiune U = 6 kV se aplică plăcilor unui condensator plat care măsoară 100 × 120 cm. Determinați intensitatea câmpului electric în dielectric și încărcarea pe fiecare placă dacă distanța dintre plăci este d = 0,45 cm și între ele este sticlă (# 949; r = 5). Cum se vor schimba rezultatele dacă sticla este scoasă din condensator fără oprirea tensiunii?
Răspuns: E = 1333 kV / m, Q = 7,08 · 105 Cl.
După îndepărtarea geamului, rezistența câmpului electric va rămâne neschimbată, deoarece U = const, iar încărcarea pe fiecare placă va scădea de cinci ori.
1.6. O placă metalică subțire este introdusă între plăcile 1 și 2 ale condensatorului plat (Figura 1.20). Distanțele d1 = 4 mm, d2 = 6 mm. Tensiunea dintre plăcile condensatorului U12 = 100 V. Se determină potențialul plăcii 3, presupunând potențialul zero al plăcii încărcate negativ.
1.7. Un condensator de aer plat cu dimensiuni de plăci de 80 × 60 cm și o distanță d = 0,5 cm între ele este pornit pentru tensiunea U = 2 kV. După încărcarea condensatorului, a fost deconectat de la sursa de tensiune și a dublat distanța dintre plăci. Determinați încărcarea pe fiecare placă, intensitatea câmpului electric și tensiunea dintre plăci după oprirea sursei. Scurgerea sarcinilor din plăci este neglijată.
Răspuns: Q = 17 · 10-7 Cl, E = 400 kV / m, U = 4 kV.
1.8. Rezistența electrică a dielectricului condensatorului este Εпp = 12 kV / mm. Determinați tensiunea de funcționare a condensatorului, dacă grosimea dielectricului său este de 2 mm, iar factorul de siguranță al izolației este de patru ori.