Mpk-prometey.ru

МПК Прометей
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Понятие электрического тока в диэлектриках

Понятие электрического тока в диэлектриках

Проводник – тело, проводящее электрический ток. Различают проводники первого и второго рода.
К первому роду относят: все металлы и их сплавы.
Ко второму роду относят: водные растворы кислот, солей и щелочей.
Чем выше температура тела, тем меньше оно проводит электрический ток, и, наоборот, со снижением температуры проводимость увеличивается.
Металлы с высокой проводимостью используют для кабелей, проводов, обмоток трансформаторов. Металлы и сплавы с низкой проводимостью применяются в лампах накаливания, электронагревательных приборах, реостатах.
Основной параметр, характеризующий проводник – это электрическое сопротивление. Оно выражается отношением падения напряжения в проводнике к току, протекающему по нему, и зависит от температуры окружающей среды.

Применение проводников:
Проводники используют для заземления электроустановок. В качестве заземляющих проводников и заземлителей используют металлические конструкции сооружений и зданий, соблюдая при этом непрерывность и проводимость цепи. Для заземляющих проводников используют обычно сталь. Если необходимы гибкие перемычки и в других случаях, применяют медь.
Проводники также могут использоваться для выравнивания потенциалов.
Проводники используют в громоотводе, отводя молнию в землю, чтобы она не нанесла никаких повреждений.
Существуют проводники с высоким удельным сопротивлением, которые стойкие к окислению. Такие материалы применяют в электронагревательных приборах, они обладают высокой пластичностью и могут вытягиваться в тонкую проволоку и выкатываться в фольгу. Одним из таких проводником является алюминий.

Механизм проводимости:
Кристаллы имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями. При низких t°C у чистых полупроводников свободных электронов нет и он ведет себя как диэлектрик (вещества, которые плохо проводят или совсем не проводят электрический ток).
Свойства диэлектриков:

  • Физико – механические и химические свойства диэлектриков
  • Влажностные свойства диэлектриков
  • Тепловые свойства диэлектриков
  • Поляризация К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стёкла, различные смолы, пластмассы, многие виды резины.
  • Металлах
  • Жидкостях
  • Газах
  • Полупроводниках
  • Вакууме

Занимают по проводимости промежуточное
положение между проводниками и диэлектриками

1) электронная (проводимость «n » — типа)
Рассмотрим проводимость полупроводников на основе кремния Si

Кремний – 4 валентный химический элемент. Каждый атом имеет
во внешнем электронном слое по 4 электрона, которые используются
для образования парноэлектронных (ковалентных) связей с 4 соседними атомами.

  • Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности эл.поля.
  • Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.

свободный электрон
Под воздействием электрического поля электроны и дырки
начинают упорядоченное (встречное) движение, образуя электрический ток.

  • Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение «дырки» равноценно перемещению положительного заряда.
  • Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.

Собственная проводимость полупроводников явно недостаточна для технического применения полупроводников Поэтому для увеличение проводимости в чистые полупроводники внедряют примеси (легируют) , которые бывают:
1) донорные примеси (отдающие)

При легировании 4 – валентного кремния Si 5 – валентным мышьяком As,
один из 5 электронов мышьяка становится свободным
Таким образом изменяя концентрацию мышьяка, можно в широких
пределах изменять проводимость кремния.

  • Это проводники » n » — типа, т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда — электроны, а неосновной — дырки.
Читайте так же:
Розетка двойная открытой проводки с заземлением технические характеристики

Изменяя концентрацию индия, можно в широких пределах
изменять проводимость кремния, создавая полупроводник с
заданными электрическими свойствами.

  • создают «дырки» , забирая в себя электроны.
  • это полупроводники » p «- типа, т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда — дырки, а неосновной — электроны.

Помимо основных носителей в полупроводнике существует очень малое число неосновных носителей заряда, количество которых растет при увеличении t°C.

Основным стимулом для изучения полупроводников является производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем — это в первую очередь относится к кремнию, но затрагивает и другие соединения (Ge, GaAs, InP, InSb).

Кремний — непрямозонный полупроводник, оптические свойства которого широко используются для создания фотодиодов и солнечных батарей, однако его очень трудно заставить работать в качестве источника света, и здесь вне конкуренции прямозонные полупроводники — соединения типа AIIIBV, среди которых можно выделить GaAs, GaN, которые используются для создания светодиодов и полупроводниковых лазеров.

Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы — диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании замечательных материалов с электронной или дырочной проводимостью.

Полупроводниковый диод – это p – n переход, заключенный в корпус.

Транзистор – это полупроводниковый прибор, в котором полупроводниковые
пластинки соприкасаются таким образом, что возникает два p-n перехода.

Широкое применение полупроводников началось сравнительно недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и, наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод. Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе — лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах. Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.

В 1956 г. Ш., Бардин и Браттейн были удостоены
Нобелевской премии по физике «за исследования
полупроводников и открытие транзисторного эффекта».

3.5. Электростатика диэлектриков

Применим теорему Остроградского — Гаусса к электрическому полю в диэлектрике. Поток вектора напряженности через замкнутую поверхность пропорционален алгебраической сумме зарядов (свободных и поляризационных), находящихся внутри ограниченного этой поверхностью объема

где qi — свободные, а qi — поляризационные заряды. Это выражение неудобно, так как в него входят поляризационные заряды, которые, в свою очередь, зависят от напряженности электрического поля в данной точке диэлектрика.

Рассмотрим теперь поток вектора электрического смещения

Так как напряженность поля поляризационных зарядов можно записать в виде

где qi — свободные заряды. Следует подчеркнуть, что линии вектора D могут начинаться и заканчиваться на свободных зарядах, но не на поляризационных.

Читайте так же:
Чем лучше соединять провода при переносе розеток

Следует обратить внимание на отсутствие в правой части множителя , который имеется в аналогичном выражении для потока вектора напряженности в вакууме.

Из теоремы Остроградского — Гаусса для точечного заряда q внутри диэлектрика следует

Вектор D не определяет силу, действующую на заряд со стороны внешнего электрического поля. Силовой характеристикой, по-прежнему, является , то есть . При линейной зависимости от для вычисления силы следует воспользоваться соотношением

Получим теперь закон Кулона для таких диэлектриков. Свободный заряд q2 создает в диэлектрике электрическое смещение

откуда следует выражение для силы взаимодействия с другим свободным зарядом q1

Соответственно, изменится выражение для потенциала, создаваемого свободным зарядом q

и, как следствие, формулы для работы по перемещению свободного заряда в поле и энергии взаимодействия свободных зарядов. Мы замечаем, что по сравнению с аналогичными формулами для систем зарядов в вакууме, для диэлектриков надо произвести замену Поскольку приведенные выражения являлись основным источником всех прочих соотношений, выведенных нами для вакуума, мы немедленно получаем, например, выражения для емкостей плоского (2.12), цилиндрического (2.14) и сферического (2.17) конденсаторов, заполненных однородным диэлектриком (рис 3.25, 3.26, 3.27, 3.28)

Рис. 3.25. Основа конструкции конденсатора — две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик

Рис. 3.26. Плоский конденсатор с диэлектриком

Рис. 3.27. Цилиндрический конденсатор с диэлектриком

Рис. 3.28. Сферический конденсатор с диэлектриком

Для плотности энергии электрического поля (2.57) теперь можно написать выражение

Понятие электрического тока

Электричество стало постоянным и незаменимым спутником человечества. Несмотря на то что в окружении любого обывателя постоянно находятся различные устройства, само понятие электрического тока остается чем-то загадочным и недоступным по сути. И это неудивительно. Электрический ток невидим, не обладает запахом, а все попытки потрогать его руками, как правило, приводят к неприятным ощущениям и грозят серьезными травмами, а в отдельных случаях даже несовместимыми с жизнью.

понятие электрического тока

Если задать большинству людей вопрос: «Так что же такое электричество?» То в лучшем случае ответом будет: «Упорядоченное движение электронов». И в принципе это правильно. Однако электрический ток обладает рядом параметров, которые имеют количественные и качественные определения, с чем и попробуем разобраться.

Общие понятия об электрическом токе

Так что же представляет собой электрический ток? Совершенно верно – это упорядоченное перемещение (движение) заряженных частиц, в качестве которых выступают электроны, что характерно для металлов, или ионы, что свойственно для электролитов.

понятие постоянного электрического тока

Рассмотрим сущность электрического тока на примере металлов. В солевых растворах (электролитах) механизм образования электричества будет аналогичен и нет смысла описывать его дополнительно. Кристаллическая решетка металлов состоит из атомов, вокруг ядер которых вращаются электроны. Но они не обладают степенью свободы. Для того чтобы электрон стал свободным носителем заряда необходимы определенные процессы. Например, химическая реакция. Т.к. сами по себе заряды не могут перемещаться, необходимым условием для существования тока является наличие электрического тока, которое возникает, когда катод и анод будет замкнут проводником.

Читайте так же:
Розетка с распорными лапками

Первый является отрицательным полюсом источника, а второй соответственно положительным. В итоге образуется электрическая цепь, в которую могут быть включены различные элементы влияющие качественные характеристики электротока.

Качественные и количественные характеристики электрического тока

Основными понятиями, которые характеризуют электрический ток являются его сила, напряжение и сопротивление. Это наиболее распространенные параметры, о которых можно услышать. Имеет место и ряд других характеристик. Например, мощность тока, его плотность и т.д. Но о них по своей специфике, не часто можно услышать в быту.

электрический ток понятие определение

Что такое сила тока? Все просто, это количество носителей заряда которое пересекло сечение проводящего элемента за единицу времени. Сила тока имеет обозначение с системы СИ – «I», а единицей измерения установлен ампер. Формула для силы тока, из определения, будет следующей:

I=∆Q/∆t, где ∆Q – количество заряда, а ∆t – промежуток времени за который оно пересекает сечение проводника.

понятие электрическая цепь постоянного тока

Следующим понятием, которое характеризует электрический ток является напряжение. Оно по своей сути является работой электрического поля по перемещению заряда от одного электрода к другому. Поскольку потенциалы контактов источника электрического тока разные, то напряжение можно считать разностью этих потенциалов. Таким образом, напряжение является отношением работы к заряду. Формула выглядит следующим образом: U=Axq. Единицей измерения разности потенциалов в системе Си принят вольт. С работой непосредственно связано понятие мощности электрического тока, которая является производной от нее. Через напряжение и силу, мощность (Р) можно выразить следующим образом – Р=UxI.

переменный электрический ток понятие

Взаимосвязь напряжения и силы тока была определена опытным путем Г. Омом. Правда для этого пришлось ввести такое понятие как сопротивление проводника. Эта величина не относиться к количественным характеристикам электрического тока, но позволяет определить необходимые параметры. По закону Ома взаимосвязь силы тока, напряжения и сопротивления видна из выражения I=U/R.

Понятие постоянного и переменного тока

Перемещение носителей заряда, которое по своему направлению неизменно называется постоянным электрическим током. Необходимо пояснить, что при невозможности изменения своего направления, данный вид тока может менять свои количественные характеристики. Например, в зависимости от электрической схемы подключения проводников (элементов) может изменятся сила, напряжение на участке и т.д. Постоянный ток характерен, например, для гальванических элементов.

А вот переменный ток, на протяжении конкретного промежутка времени, меняет свое направление в определенной закономерности. Регулярность или периодичность изменения называется частотой и измеряется в герцах (Гц). Распространенность электрического тока переменного типа в первую очередь обусловлена низкими потерями при передаче на большие расстояния.

понятие электрического тока напряжение

Основные понятия электричества (электрики)

Для того, чтобы начать работу с микроконтроллерами, такими как Arduino или Iskra JS нужно постепенно улучшать свои знания в такой области как электричество.

Давайте начнем основ. Я постараюсь добавить некоторые переводы определений на английский, что будет полезно в дальнейшей работе с платами.

Электричество — это некоторое движение электронов под воздействием электромагнитного поля. Под электрикой понимают энергию очень мелких заряженных частиц, которые осуществляют свое движение внутри проводников в конкретном направлении. Чтобы лучше разбираться в понятии электричества, следует рассмотреть его основные понятия.

Читайте так же:
Розетка чехлы для гитар

Постоянный и переменный ток

Постоянный ток почти никогда не меняет свое направление и величину с течением времени.

А вот переменный ток — тот ток, который с некоторой периодичностью сменяет направление своего движения и величину.

Для примера, можно представить водный поток, который течет по трубе. Спустя определенное время (к примеру, 5 секунд) вода станет стремиться то в одну сторону, то в противоположную. С током это случается гораздо скорее — 50 раз за одну секунду (частота 50 Гц).

На протяжении одного периода колебания сила тока максимально увеличивается, потом проходит через ноль, а после осуществляется обратный процесс, но уже с иным знаком. Все это происходит потому, что получение и передача переменного типа тока куда проще, нежели в случае с постоянным.

Трансформатор

В свою очередь, получение и передача переменного тока сильно взаимосвязаны с таким прибором как трансформатор. Генератор, который производит переменный ток, устроен гораздо проще, нежели генератор для постоянного тока. И в целом, для передачи энергии на большие дистанции переменный ток подходит намного лучше. При его помощи тратится меньше энергии.

Пример домашнего трансформаторв

Пример домашнего трансформаторв

С помощью генератора переменный ток превращается с низкого напряжения на высокое и напротив. По этой причине огромное количество устройств действует от сети, где ток именно переменный. Но постоянный ток также очень широко используют — во всех типах батарей, в химической отрасли и иных сферах.

Трехфазная сеть

Трехфазная сеть — способ передачи тока, когда переменный ток проходит по трем проводам и только по одному возвращается обратно. Абсолютно любая электрическая цепь имеет два провода. По одному из них ток идет к пользователю (к примеру, ток идет к чайнику), а по иному — возвращается обратно. Если разомкнуть подобную цепь, ток попросту не станет идти.

Тот провод, по которому следует ток, зовется фазовым (часто его называют просто фазой), а тот, по которому он возвращается, — нулевым (называют нулем). Трехфазная цепь состоит из трех фазовых проводов и одного обратного. Подобное становится возможно по той причине, что фаза переменного тока в каждом из этих трех проводов сдвинута относительно соседнего на 120 °С.

Передача переменного тока осуществляется благодаря трехфазным сетям. Это крайне удобно и выгодно экономически — для этого не требуется еще два нулевых провода. Подходя к пользователю, ток разделяется на 3 фазы, и каждой из них предоставляется по нулю. Так он подается в квартиры и дома. Порой трехфазная сеть проходит прямо в дом. Чаще всего это происходит в случае с частными секторами.

Заземление

Заземление — третий провод в однофазной сети. По своей сути он не несет никакой рабочей нагрузки, а по большей части исполняет роль надежного предохранителя.

Читайте так же:
Aqua in розетка ip44 двойная

В ситуации, когда электрическая сеть внезапно выходит из-под контроля человека (к примеру, случай короткого замыкания), образуется существенная угроза возникновения пожара или удара током (а значит, и угроза для жизни). Для того чтобы это предотвратить (это обозначает, что общее значение тока не должно быть выше безопасного для людей и устройств уровня), и вводят заземление. По этому проводу излишки электрического тока в прямом смысле слова уходят в землю.

Монтаж контура заземления

Монтаж контура заземления

Например, в работе электромотора стиральной машины произошла малая поломка, и некоторая часть электричества попадает на внешнюю металлическую часть этого устройства. Если заземление в том случае отсутствовало бы, данный заряд блуждал бы по этой стиральной машине. И когда человек дотронется до нее, он мгновенно станет удобным выходом для такого рода энергии, а значит, получит удар током.

При существовании провода заземления в данном случае лишний заряд стечет по нему, не причиняя никому вреда. Нулевой проводник также способен исполнять роль заземления и, в принципе, являться им, но лишь на электростанции.

Надо помнить, что любая ситуация, когда в доме отсутствует заземление, небезопасна.

Статическое электричество

Статическое электричество – явление, которое спровоцировано возникновением или исчезновением лишнего напряжения на поверхности или же внутри тех материалов, которые не проводят электрический ток (стекло, пластик, дерево и другие). Они называются диэлектриками, потому как в их молекулярной структуре практически нет свободных электронов.

Статическое электричество возникает по причине нарушения равновесия внутри атома или же молекулы. На их внешних орбиталях возникают лишние электроны или же, напротив, электронов становится недостаточно.

Самая известная причина нарушения подобного равновесия – обыкновенное трение. Даже наиболее гладкая на первый взгляд поверхность (например, зеркальная) обладает своими шероховатостями, микровыступами и неровностями. Трение существует всегда и в любой среде: твердой, жидкой или газообразной.

Резкое изменение температуры тоже может стать причиной электризации. Осуществляется изменение скорости движения и, значит, числа столкновений или колебаний атомов внутри молекулы. Поэтому и происходит спонтанное отделение электронов, которые способны накопиться, сотворяя статический заряд.

В быту часто можно наблюдать подобный эффект. Когда человек ходит по ковру, он является носителем отрицательного заряда, а ворсинки ковра – положительного. Если после такого хождения человек возьмет в руки ключ, накопленное напряжение тут же разрядится и даст о себе знать — человека легонько тряхнет.

Особенно заметно статическое электричество в зимнее время. В холодные сезоны очень низкая влажность, а на людях — больше одежды. Сухость вместе с большим количеством диэлектриков – очень благоприятная среда для электризации. Но опасаться в данном случае нечего — небольшие заряды статической электрики абсолютно безвредны для жизни и здоровья человека.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector