Лабораторные работы по электротехнике Изучение метода компенсации Изучение работы полупроводниковых выпрямителей Изучение кенотронного выпрямителя Изучение колебательного контура Изучение цепи переменного тока

Постоянный ток Лабораторные работы

фВыполнения лабораторных работ является важной частью учебного процесса, преследующей цель более глубокого усвоения теоретических положений курса и приобретения экспериментальных навыков.

Вектор поляризации и диэлектрическая восприимчивость диэлектриков

  Количественной мерой поляризации диэлектрика служит вектор поляризации или поляризованность . Она определяется как предел отношения суммарного дипольного момента некоторого объема V диэлектрика к этому объему, при условии, что V стремится к нулю:

, где n - число диполей в объеме V, - дипольный момент i-го диполя.

  В случае изотропного неполярного диэлектрика, находящегося в однородном электрическом поле, , где n0 - концентрация молекул. Можно показать, что дипольный момент неполярной молекулы в поле направлен строго вдоль вектора и пропорционален его величине , где a - коэффициент пропорциональности, который называется поляризуемостью. Таким образом .

 Поляризуемость единицы объема диэлектрика называется диэлектрической восприимчивостью и обозначается буквой æ, т.е. æ = n0a. Отсюда æ. Последняя формула справедлива и для полярного диэлектрика, находящегося в слабом электрическом поле. Следовательно, для большинства изотропных диэлектриков (за исключением сегнетоэлектриков) зависимость  от  для слабых полей линейная.Подпись:  
Рис.1.18. Зависимость поляризованности изотропного диэлектрика от напряжен¬ности электростатического поля.

Но с увеличением Е в полярном диэлектрике наступает «насыщение, т.е. состояние, когда дипольные моменты всех молекул ориентируются по полю. Поэтому линейная зависимость   от  нарушается и кривая выходит на линию, параллельную оси Е (рис.1.18). Диэлектрическая восприимчивость æ ‑ величина безразмерная, положительная и для большинства диэлектриков составляет несколько единиц. Однако для некоторых диэлектриков она существенно больше: для спирта æ » 25, для воды æ » 80. В неполярных диэлектриках æ не зависит от Т, в полярных æ обратно пропорциональна температуре. В полярном диэлектрике помимо ориентационной поляризации наблюдается и электронная поляризация.

 

 

 

Напряженность поля в диэлектрике

  Поместим пластину однородного диэлектрика в электрическое поле  между двумя бесконечными параллельными разноименно заряженными плоскостями (рис.1.19). Под действием внешнего поля диэлектрик поляризуется, в результате чего, на боковой грани диэлектрика, обращенной к положительной плоскости, появляется избыток отрицательных зарядов с поверхностной плотностью -s¢, а на противоположной - избыток положительных зарядов с поверхностной плотностью +s¢. Эти не скомпенсированные заряды называются связанными и они создают свое собственное добавочное поле , направленное против внешнего поля . На рисунке 1.19 сплошными стрелками обозначены силовые линии внешнего поля , а пунктирными - поля . Поэтому результирующая напряженность поля  в диэлектрике меньше  на величину .

Рис.1.19. К вычислению электростатического поля в диэлектрике.

 Напряженность собственного добавочного поля диэлектрика  можно определить с помощью формулы для напряженности поля между параллельными бесконечными заряженными плоскостями:  . Определим поверхностную плотность связанных зарядов s¢. Для однородного диэлектрика, занимающего объем V, полный дипольный момент равен  , где S ‑ площадь боковой грани пластины, d - ее толщина. С другой стороны, , где ‑ связанный заряд боковой грани. Поскольку , то . Отсюда имеем , следовательно . Отсюда, плотность связанных зарядов s¢ равна поляризованности диэлектрика Ре. Таким образом, напряженность поля внутри диэлектрика можно записать в виде: . Так как Ре=e0æЕ,  то . Отсюда  и . Ранее было показано, что относительная диэлектрическая проницаемость среды e есть отношение сил взаимодействия зарядов в вакууме F0 и в данной среде F. Так как напряженности поля пропорциональны этим силам, то . Подставив это соотношение в последнюю формулу, получим: .

 Таким образом, диэлектрическая проницаемость среды показывает во сколько раз напряженность поля в диэлектрике уменьшается по сравнению с напряженностью внешнего поля, а также количественно характеризует способность диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.

В цепях постоянного тока и однофазных цепях переменного тока токовую цепь следует собирать от одного из зажимов рубильника и соединять элементы схемы в той же последовательности, в которой они расположены на схеме в руководстве, пока цепь не будет подключена к другому зажиму рубильника.
Электрические токи в металлах, вакууме и полупроводниках