2259556.ru

Журнал Мастера
18 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Плотность тока проводимости в диэлектрике

Мы знаем, что постоянный ток в цепи с конденсатором не течет, переменный — протекает. Сила квазистационарного тока во всех элементах цепи, если они соединяются последовательно, одинакова. В конденсаторе, обкладки которого разделяет диэлектрик, ток проводимости, вызванный перемещением электронов, идти не может. Значит, если ток переменный (присутствует переменное электрическое поле), происходит некоторый процесс, который замыкает ток проводимости без переноса заряда между обкладками конденсатора. Этот процесс называют током смещения.

Любое переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Исследуя разные электромагнитные процессы, Максвелл сделал вывод о том, что существует обратное явление: изменение электрического поля вызывает появление вихревого магнитного поля. Это одно из основных утверждений в теории Максвелла.

Так как магнитное поле — обязательный признак любого тока, Максвелл назвал переменное электрическое поле током смещения. Ток смещения следует отличать от тока проводимости, который вызван движением заряженных частиц (электронов и ионов). Токи смещения появляются только в том случае, если электрическое смещение ($overrightarrow$) переменно. Объемная плотность тока смещения определяется как:

Именно вследствие этого физическое содержание предположения Максвелла о токах смещения сводится к утверждению о том, что переменные электрические поля — источники переменных магнитных полей.

Следует заметить, что плотность тока смещения определена производной вектора $overrightarrow$, а не самим вектором.

Готовые работы на аналогичную тему

  • Астрономия
  • Биология
  • Биотехнологии
  • География
  • Государство
  • Демография
  • Журналистика и СМИ
  • История
  • Лингвистика
  • Литература
  • Маркетинг
  • Менеджмент
  • Механика
  • Науковедение
  • Образование
  • Охрана труда
  • Педагогика
  • Политика
  • Право
  • Психология
  • Социология
  • Физика
  • Химия
  • Экология
  • Электроника
  • Электротехника
  • Энергетика
  • Юриспруденция
  • Этика и деловое общение

Электротехника Плотность тока смещения в данной точке пространства равна скорости изменения вектора электрического смещения в этой точке.

Ток смещения сквозь произвольную поверхность S:

.

Каково же направление векторов и ? Определим это с помощью рис.4.3.

На рис. 4.3 а ток изображен текущим от правой обкладки конденсатора к левой. В случае если конденсатор заряжается, следовательно, поле между обкладками усиливается, величина электрического смещения увеличивается. Последнее означает, что , ᴛ.ᴇ. векторы и направлены в одну сторону.

При разрядке конденсатора (рис.4.3 б) ток начинает течь в противоположную сторону, и поле в конденсаторе ослабляется. Направление векторов и сохраняется, но они со временем уменьшаются по величинœе и теперь приращение становится отрицательным, ᴛ.ᴇ. . Векторы и направлены в противоположные стороны. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, в каждом из рассмотренных случаев направление , а следовательно, и вектор плотности тока смещения совпадает с направлением вектора плотности тока проводимости . Ток смещения обладает способностью создавать в окружающем пространстве магнитное поле. Направление силовых линий поля (с учетом правила правой руки) показано на рис.4.3.

Ток смещения, таким образом, появляется там, где есть изменяющееся во времени электрическое поле. По этой причине он существует не только в вакууме и в диэлектриках, но и внутри проводников, по которым проходит переменный электрический ток. При этом в таких случаях он пренебрежимо мал по сравнению с током проводимости.

4.4. Второе уравнение Максвелла. @

Максвелл ввел понятие полного тока. Плотность полного тока

.

В замкнутых цепях переменного тока полный ток всœегда замкнут, на концах проводника обрывается лишь ток проводимости, а в диэлектрике и в вакууме между концами проводника имеется ток смещения, который замыкает цепь переменного тока.

Пользуясь новыми введенными понятиями, Максвелл обобщил закон полного тока (теорему о циркуляции вектора Н). Ранее он имел вид . Максвелл заменил ток проводимости I на полный ток сквозь поверхность S, ограниченную контуром L:

.

Тогда обобщенная теорема о циркуляции вектора принимает вид

.

Это и есть второе уравнение Максвеллав интегральной форме: циркуляция вектора напряженностимагнитного поля вдоль произвольного замкнутого контура равна полному току, охватываемому этим контуром. Уравнение показывает, что магнитные поля могут порождаться либо электрическими токами, либо переменными электрическими полями.

4.5. Система уравнений Максвелла в интегральной форме. @

Итак, первое уравнение Максвелла имеет вид

.

Второе уравнение Максвелла

.

Третье уравнение Максвелла — ϶ᴛᴏ уже знакомая нам теорема Гаусса для вектора электрического смещения:

,

где q – суммарный заряд в объеме, ограниченном поверхностью S.

Читать еще:  Розетки цвет темное дерево

Четвертое уравнение Максвелла — ϶ᴛᴏ теорема Гаусса для магнитного поля В, также полученная нами ранее:

.

В случае если изучаемые среды несегнетоэлектрические, неферромагнитные и изотропные, между величинами индукции и напряженности магнитного и электрического полей, а также между плотностью тока и напряженностью электрического поля существуют линœейные зависимости:

Эти зависимости, характеризующие электрические и магнитные свойства среды, называются иногда материальными уравнениями.

Уравнения Максвелла несимметричны относительно электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что электрические заряды существуют в природе, а магнитных зарядов не существует.

В случае если электрическое и магнитное поля стационарны, ᴛ.ᴇ. постоянны во времени, то уравнения Максвелла принимают вид:

В данном случае источниками электрического поля являются только электрические заряды, а источниками магнитного поля — только токи проводимости. Электрическое и магнитное поля теперь не зависят друг от друга, что позволяет изучать их в отдельности.

4.6. Электромагнитное поле. Электромагнитные волны. @

Итак, электрические и магнитные поля неразрывно связаны друг с другом. Теория, созданная Максвеллом, позволила ему предсказать существование электромагнитного поля – особой формы материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между заряженными частицами и токами.

Электромагнитное поле неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно с ними

Векторы и перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны, как показано на рис.4.4.

Электромагнитные волны пронизывают всœе окружающее нас пространство. В первую очередь это свет, а также радиоволны, тепловое излучение, ультра-фиолетовое, рентгеновское и γ-излучение. Все эти электромагнитные волны различаются по длинœе волны и, соответственно, по частоте, как показано в табл.4. 1.

Таблица 4.1. Шкала электромагнитных волн

Электромагнитные волныПорядок длины волны, мИсточники излучения
Радиоволны10 7 -10 -1Генераторы радиоволн разных частот
Инфракрасные волны10 -1 -10 -4Тепловое излучение молекул, Солнце
Видимый свет10 -7Солнце, атомы, молекулы
Ультрафиолетовые волны10 -7 -10 -9Солнце, звезды, высокотемпературная плазма, атомы и молекулы
Рентгеновские волны10 -9 -10 -11Атомные процессы
γ-лучи10 -12Ядерные процессы, радиоактивный распад, космические процессы

Применение электромагнитных волн в науке, технике и повсœедневной жизни весьма разнообразно. Самые длинные электромагнитные волны – радиоволны используются для радио- и телœевизионных трансляций, радиотехники, радиолокации, радионавигации, радиоспектроскопии и т.д. Инфракрасное излучение применяют при анализе и структурных исследованиях различных веществ, спектров далеких звезд и атмосферы планет, при измерениях теплового баланса Земли. В промышленных целях ИК излучение используют для сушки древесины, лакокрасочных покрытий. Ультрафиолетовые волны находят применение в светотехнике, химических технологиях и медицинœе, поскольку обладают значительной биологической активностью. Обработка ИК и УФ лучами лежит в основе современных методов консервирования пищевых продуктов. Рентгеновское излучение, благодаря его высокой проникающей способности, также широко используют в медицинœе, науке и технике.

Итак, нами рассмотрены основы магнитостатики и основные электрические и магнитные явления, происходящие с постоянными и переменными токами, покоящимися или равномерно движущимися зарядами. Изложена электромагнитная теория, позволяющая найти электрические и магнитные поля для любых точек пространства и любого момента времени. Значение этой теории огромно, так как в большинстве физических явлений преобладают электромагнитные взаимодействия.

[1] Самофракийские кольца — ϶ᴛᴏ желœезные кольца с золотым ободком

Алексей Бобрик

Простая строка выглядит следующим образом:

  1. Проводник является эквипотенциальным томом. Если бы между любыми двумя точками была разность потенциалов, свободные заряды текли бы, чтобы компенсировать эту разность, следовательно, создавая токи. Если есть ток, он производит тепло. Однако из-за энергосбережения тепло не может производиться вечно. Следовательно, со временем все токи должны прекратиться. И это возможно только при отсутствии разности потенциалов между любыми двумя точками в проводнике.
  2. следовательно E → = − ∇ ϕ = 0 → » role=»presentation» style=»position: relative;»> Е E → = − ∇ ϕ = 0 → » role=»presentation» style=»position: relative;»> E → = − ∇ ϕ = 0 → » role=»presentation» style=»position: relative;»> ⃗ E → = − ∇ ϕ = 0 → » role=»presentation» style=»position: relative;»> E → = − ∇ ϕ = 0 → » role=»presentation» style=»position: relative;»> = — ∇ ϕ = 0 E → = − ∇ ϕ = 0 → » role=»presentation» style=»position: relative;»> E → = − ∇ ϕ = 0 → » role=»presentation» style=»position: relative;»> ⃗ E → = − ∇ ϕ = 0 → » role=»presentation» style=»position: relative;»> E → = − ∇ ϕ = 0 → » role=»presentation» style=»position: relative;»> Е E → = − ∇ ϕ = 0 → » role=»presentation» style=»position: relative;»> → E → = − ∇ ϕ = 0 → » role=»presentation» style=»position: relative;»> знак равно E → = − ∇ ϕ = 0 → » role=»presentation» style=»position: relative;»> — E → = − ∇ ϕ = 0 → » role=»presentation» style=»position: relative;»> ∇ E → = − ∇ ϕ = 0 → » role=»presentation» style=»position: relative;»> φ E → = − ∇ ϕ = 0 → » role=»presentation» style=»position: relative;»> знак равно E → = − ∇ ϕ = 0 → » role=»presentation» style=»position: relative;»> 0 E → = − ∇ ϕ = 0 → » role=»presentation» style=»position: relative;»> → внутри проводника.
  3. следовательно ∇ ⋅ E → = 4 π ρ = 0 » role=»presentation» style=»position: relative;»> ⋅ ⋅ E ∇ ⋅ E → = 4 π ρ = 0 » role=»presentation» style=»position: relative;»> ∇ ⋅ E → = 4 π ρ = 0 » role=»presentation» style=»position: relative;»> ⃗ ∇ ⋅ E → = 4 π ρ = 0 » role=»presentation» style=»position: relative;»> ∇ ⋅ E → = 4 π ρ = 0 » role=»presentation» style=»position: relative;»> = 4 π ∇ ⋅ E → = 4 π ρ = 0 » role=»presentation» style=»position: relative;»> ∇ ⋅ E → = 4 π ρ = 0 » role=»presentation» style=»position: relative;»> ρ = 0 ∇ ⋅ E → = 4 π ρ = 0 » role=»presentation» style=»position: relative;»> ∇ ⋅ E → = 4 π ρ = 0 » role=»presentation» style=»position: relative;»> ∇ ∇ ⋅ E → = 4 π ρ = 0 » role=»presentation» style=»position: relative;»> ⋅ ∇ ⋅ E → = 4 π ρ = 0 » role=»presentation» style=»position: relative;»> Е ∇ ⋅ E → = 4 π ρ = 0 » role=»presentation» style=»position: relative;»> → ∇ ⋅ E → = 4 π ρ = 0 » role=»presentation» style=»position: relative;»> знак равно ∇ ⋅ E → = 4 π ρ = 0 » role=»presentation» style=»position: relative;»> 4 ∇ ⋅ E → = 4 π ρ = 0 » role=»presentation» style=»position: relative;»> π ∇ ⋅ E → = 4 π ρ = 0 » role=»presentation» style=»position: relative;»> ρ ∇ ⋅ E → = 4 π ρ = 0 » role=»presentation» style=»position: relative;»> знак равно ∇ ⋅ E → = 4 π ρ = 0 » role=»presentation» style=»position: relative;»> 0 везде по всему объему.
Читать еще:  Мини пылесос от розетки

Нельзя писать ∇ ⋅ E → » role=»presentation» style=»position: relative;»> ⋅ ⋅ E ∇ ⋅ E → » role=»presentation» style=»position: relative;»> ∇ ⋅ E → » role=»presentation» style=»position: relative;»> ⃗ ∇ ⋅ E → » role=»presentation» style=»position: relative;»> ∇ ⋅ E → » role=»presentation» style=»position: relative;»> ∇ ∇ ⋅ E → » role=»presentation» style=»position: relative;»> ⋅ ∇ ⋅ E → » role=»presentation» style=»position: relative;»> Е ∇ ⋅ E → » role=»presentation» style=»position: relative;»> → на поверхности, потому что E → » role=»presentation» style=»position: relative;»> Е E → » role=»presentation» style=»position: relative;»> E → » role=»presentation» style=»position: relative;»> ⃗ E → » role=»presentation» style=»position: relative;»> E → » role=»presentation» style=»position: relative;»> Е E → » role=»presentation» style=»position: relative;»> → там не непрерывно. Тем не менее, поверхностный заряд может сделать E → » role=»presentation» style=»position: relative;»> Е E → » role=»presentation» style=»position: relative;»> E → » role=»presentation» style=»position: relative;»> ⃗ E → » role=»presentation» style=»position: relative;»> E → » role=»presentation» style=»position: relative;»> Е E → » role=»presentation» style=»position: relative;»> → быть ненулевым вне границы и нулем внутри объема.

Рассуждение относится к проводникам и проводящим материалам, но не относится к диэлектрикам. Однако это не означает, что диэлектрики не могут иметь поверхностных зарядов.

РАДИАЦИОННО-НАВЕДЕННЫЕ СИГНАЛЫ ПРИ СОВМЕСТНОМ ДЕЙСТВИИ СТОРОННИХ ЗАРЯДОВ И ТОКОВ ПРОВОДИМОСТИ

При отсутствии электретных эффектов и внешних электрических источников в начале облучения сторонние заряды и электрическое поле в диэлектрике отсутствуют, и токи проводимости равны нулю. Регистрируемый сигнал определяется токами смещения за счет образования стороннего заряда при переносе вторичных высокоэнергетических электронов.

Накопление объемного заряда приводит к формированию электрического поля, при этом появляются и возрастают токи проводимости. Регистрируемый сигнал уже определяется совместным действием токов смещения и токов проводимости. По мере дальнейшего облучения наступает состояние квазистатического равновесия, когда приток заряда внутрь любого произвольно выбранного объема внутри диэлектрика за счет переноса высокоэнергетических электронов становится равным оттоку заряда из этого объема за счет токов проводимости.

Дальнейший рост объемного заряда прекращается, и регистрируемый сигнал определяется только токами проводимости. Таким образом, при малых временах облучения t (предельный случай t → 0) регистрируемый сигнал определяется токами смещения Jсм, а при достаточно продолжительном облучении (предельный случай t → ∞) сигнал определяется токами проводимости Jпр.

Читать еще:  Чем обжимать сетевую розетку

Радиационно-наведенные сигналы измерены в плоском двухслойном конденсаторе (рис. 6), внешние электроды (1, 5) которого были выполнены из медных пластин толщиной 180 мг · см –2 и заземлены, а измерительный электрод 3 представлен диэлектрическим цилиндром Фарадея без охранного электрода (4 на рис. 2). Между электродами устанавливались пластины из полиэтилена (I, II, рис. 6) переменной толщины d. Облучение проводилось на источнике 60 Со γ-излучения при постоянной мощности дозы Рγ в диапазоне 10 –4 –10 –3 Гр · с –1 . Конденсаторами и резисторами на рис. 6 обозначены механизмы передачи заряда от произвольного слоя dx диэлектрика на измерительный электрод 3 при формировании соответственно токов смещения (Jсм при t → 0) и токов проводимости (Jпр при t → ∞). С учетом измеренных приграничных распределений φд(x), φз(х) выражения для Jсм, Jпр в отмеченных предельных случаях имеют вид [4]:

Ключевые параметры

При исследовании такого физического явления, как электрический ток, специалистами выделен ряд показателей, на которые не только необходимо обращать внимание в процессе работы, но и исследовать их влияние на данную величину. Основными параметрами электрического тока являются:

  • Сила тока.
  • Плотность электрического тока в проводнике.

Известно, что сила тока определяется как скалярная величина. В абсолютных значениях она прямо пропорциональна проходящему в определенный временной отрезок заряду через поперечное сечение проводника. Одновременно, сила тока будет обратно пропорциональна длительности данного временного отрезка.

Установлено, что в природе существует всего 2 вида тока: постоянный и переменный.

  • Постоянным является такой ток, в котором через сечение проводника за единицу времени (временной отрезок) будет проходить всегда одинаковое количество электричества. И еще одно важное условие – при этом, направление движения частиц не меняется.

Для существования в природе постоянного тока должны быть созданы (соблюдены) определенные условия, а именно:

  • Наличие свободных носителей заряда;
  • Существование постоянно действующего электрического поля;
  • Факт замкнутой цепи, по которой осуществляется циркуляция носителей заряда.

Отличительная особенность переменного тока от постоянного заключается в том, что здесь осуществляется переменное направление движения электронов. Все зависит от частоты подключенного генератора. Если учесть, что у нас принят параметр 50 Гц, то всего за 1 секунду направление движения электронов изменится ровно 100 раз. Это позволяет нам не задумываясь включать в розетку вилку любой стороной без угрозы КЗ.

Сверхпроводимость

Некоторые вещества, охлажденные до температуры вблизи абсолютного нуля, скачкообразно теряют свое сопротивление току, которое не просто уменьшается, а исчезает полностью. При этом длина проводника может иметь абсолютно любое значение, ограниченное только объемом охлаждающего сосуда. Открытие данного явления положило начало изучению сверхпроводимости и путям его практического использования. Основным препятствием широкому распространению сверхпроводящих материалов являются большие затраты на создание и поддержку низких температур в диапазоне единиц градусов Кельвина (температура жидкого гелия).

В результате исследований созданы материалы, которым свойственна высокотемпературная сверхпроводимость. Температура перехода в сверхпроводящее состояние у таких веществ составляет уже десятки и сотни градусов Кельвина, что позволяет использовать более дешевый сжиженный азот вместо дорогостоящего гелия.

Высокотемпературные сверхпроводники нашли распространение при изготовлении мощных электромагнитов ускорителей частиц. Изготовление источников электромагнитного поля из традиционной меди затрудняется ввиду огромных токов, которые вызывают нагрев обмоток.

Сверхпроводящий материал, не имея сопротивления, не подвержен тепловому действию тока и может коммутировать любую мощность.

Для сверхпроводников характерен эффект Мейснера, который заключается в том, что линии внешнего магнитного поля выталкиваются за пределы сверхпроводника, и внутри его магнитное поле отсутствует.

Как уже говорилось, проводники и диэлектрики не всегда имеют четкую границу между собой, поэтому для различных сфер применения оговариваются пределы проводимости для отдельных веществ и материалов с учетом условий применения. Следует учитывать, что многие диэлектрики, оказывающие большое сопротивление постоянному току, могут работать совсем иначе, когда к ним приложено переменное напряжение.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector