Лабораторные работы по электротехнике Изучение работы полупроводниковых выпрямителей Изучение кенотронного выпрямителя Изучение колебательного контура Изучение цепи переменного тока Постоянный электрический ток

Лабораторные работы по электротехнике. Конспект курса лекций

Электростатическое поле и его напряженность.

 Электрические заряды, находясь, даже на большом расстоянии друг от друга, взаимодействуют между собой. Такое взаимодействие может осуществляться только посредством поля, в данном случае - электрического. Каждое заряженное тело окружено таким полем. Если заряженное тело неподвижно, то окружающее его поле называется электростатическим.

  Пусть в некоторой точке поля, созданного зарядом q, находится малый точечный положительный заряд q0 - так называемый «пробный заряд». Пробный заряд должен быть малым, чтобы его собственное поле не искажало поле заряда q. На заряд q0 будет действовать сила F, пропорциональная величине заряда q0. Сила F не может быть характеристикой поля в данной точке, поскольку она зависит от величины самого заряда и меняется при изменении заряда. Поэтому силовой характеристикой поля для данной точки является отношение F/q0, которое называется напряженностью электрического поля . Вектор  численно равен силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля и направлен в сторону действия силы. Так как согласно закону Кулона ,  то для поля одиночного заряда q получим  или в векторной форме , где  - радиус-вектор, соединяющий q с q0. Единицей напряженности электрического поля является 1Н/Кл или, как будет показано далее, 1В/м (Вольт на метр), где 1В - единица измерения потенциала электрического поля.

Силовое воздействие электростатического поля на заряженные частицы широко применяется в различных технологических процессах. Например, при электрокопчении, продукт помещается в электростатическое поле между двух электродов, причем одним из них может быть сам продукт. Затем в поле поступают заряженные частицы коптильного дыма, которые под действием электростатических сил движутся и осаждаются на продукте. Весь процесс электрокопчения занимает время 2-5 минут и при этом не происходит сушки продукта. Аналогичные процессы происходят при электростатической панировке рыбы. Мука, осажденная на поверхности рыбы силами электростатического поля, дает хорошую панировку, повышает качество консервов, значительно снижает расход муки.

  В горной, газовой, пищевой и других отраслях промышленности широко применяется электросепарирование - разделение твердых или жидких смесей в электростатическом поле. Этим методом осуществляется разделение продуктов помола зерна на фракции, удаление из пищевых продуктов посторонних примесей, очистка подсолнечника, чая, желатина и т.д. Обработанное электростатическим полем зерно обладает повышенными хлебопекарными свойствами. Посредством электростатического поля и специальных сит осуществляется очистка мясного фарша от костных и соединительных тканей. После обработки кормовой муки в поле Е=3.6×105¸3.9×105В/м при температуре t=15¸17°С в течение часа уничтожаются все вредные микроорганизмы. Дезинфекция оборудования пищевой промышленности также может проводиться электрическим полем и при этом не требуется разборка оборудования.

1.4. Графическое изображение электростатических полей

 


 Изображение электростатического поля с помощью векторов напряженности   в различных точках поля является очень неудобным, так как картина получается весьма запутанной. Фарадей предложил более простой и наглядный метод изображения электростатического поля с помощью линий напряженностей или силовых линий. Силовыми линиями называются кривые, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности поля (рис.1.2). Направление силовой линии совпадает с направлением . Силовые линии начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных. Силовые линии не пересекаются, так как в каждой точке поля вектор  имеет лишь одно направление. Электростатическое поле считается однородным, если напряженность во всех его точках одинакова по величине и направлению. Силовыми линиями такого поля являются прямые, параллельные вектору напряженности.

 Силовые линии поля точечных зарядов - радиальные прямые, выходящие из заряда и уходящие в бесконечность, если он положителен (рис.1.3а). Если заряд отрицателен, направление силовых линий оказывается обратным: они начинаются в бесконечности и оканчиваются на заряде -q (рис.1.3б). Поле точечных зарядов обладает центральной симметрией.

Рис.1.3. Линии напряженности точечных зарядов: а - положительного, б - отрицательного.

  На рис.1.3 изображены плоские сечения электростатических полей системы двух одинаковых по величине зарядов: а) заряды, одинаковые по знаку, б) заряды, разные по знаку.

1. 5. Принцип суперпозиции электростатических полей.

 Основной задачей электростатики является определение величины и направления вектора напряженности  в каждой точке поля, создаваемого либо системой  неподвижных точечных зарядов, либо заряженными поверхностями произвольной формы. Рассмотрим первый случай, когда поле создано системой зарядов q1, q2,..., qn. Если в какую-либо точку этого поля поместить пробный заряд q0, то на него со стороны зарядов q1, q2,..., qn будут действовать кулоновские силы  . Согласно принципу независимости действия сил, рассмотренного в механике, равнодействующая сила  равна их векторной сумме

 .

Используя формулу напряженности электростатического поля, левую часть равенства можно записать: , где  - напряженность результирующего поля, создаваемого всей системой зарядов в точке, где расположен пробный заряд q0. Правую часть равенства соответственно можно записать, где  - напряженность поля, создаваемая одним зарядом qi. Равенство примет вид . Сокращая на q0, получим .

 Напряженность электростатического поля системы точечных зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из этих зарядов в отдельности. В этом заключается принцип независимости действия электростатических полей или принцип суперпозиции (наложения) полей.

  Обозначим через  радиус-вектор, проведенный из точечного заряда qi в исследуемую точку поля. Напряженность поля в ней от заряда qi равна . Тогда результирующая напряженность , создаваемая всей системой зарядов равна . Полученная формула применима и для расчета электростатических полей заряженных тел произвольной формы так как любое тело можно разделить на очень малые части, каждую из которых можно считать точечным зарядом qi. Тогда расчет  в любой точке пространства будет аналогичен выше приведенному.

Сегнетоэлектрики Особую группу среди полярных диэлектриков составляют сегнетоэлектрики, которые обладают рядом разнообразных электрических свойств. Название этой группе дано по первому исследованному веществу – сегнетовой соли NaKCl4H4O6 × 4H2O , поляризационные характеристики которой изучались советскими физиками И.В. Курчатовым, П.П. Кобеко и др.

В настоящей работе в качестве диэлектрика исследуется вариконд – сегнетоэлектри-ческий конденсатор с резко выраженными нелинейными свойствами, обладающий большой емкостью, малыми размерами, ограниченным диапазоном рабочих частот и температур, а также высоким значением диэлектрических потерь. Вариконд - сегнетоэлектрический конденсатор находится в составе кассеты ФПЭ-02.

Выполнение измерений Задание. Определение полной поляризованности Pn , остаточной поляризованности  P0 и коэрцитивной силы EК.

Электричество и постоянный ток Электричество – это понятие, которое охватывает всю совокупность явлений, в которых проявляется существование, движение и взаимодействие электрических зарядов. Науку, изучающую эти явления, называют наукой об электричестве.


Изучение электронного осциллографа