Sanitaryhygiene.ru

Санитары Гигиены
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое электрический ток

Что такое электрический ток

Когда мы произносим словосочетание «электрический ток», то обычно имеем ввиду самые разные проявления электричества. Ток течет по проводам высоковольтных линий электропередач, ток вращает стартер и заряжает аккумулятор в нашем автомобиле, молния во время грозы — это тоже электрический ток.

Что такое электрический ток

Электролиз, электросварка, искры статического электричества на расческе, по спирали лампы накаливания течет ток, и даже в крохотном карманном фонарике через светодиод течет крохотный ток. Что и говорить о нашем сердце, которое также генерирует небольшой электрический ток, особенно это заметно во время прохождения процедуры ЭКГ.

В физике электрическим током принято называть упорядоченное движение заряженных частиц и в принципе любых носителей электрического заряда. Движущийся вокруг атомного ядра электрон — это тоже ток. И заряженная эбонитовая палочка, если держать ее в руке и двигать из стороны в сторону — также станет источником тока: не равный нулю заряд есть и он движется.

Все, что окружает человека, и он сам — это материальный мир, или материя, которая существует в различных формах. Одна из форм материи, из которой состоят все тела в природе (вода, различные металлы и т. д.), называется веществом.

Вещества, которые невозможно химическим путем разложить на отдельные химические элементы, называются простыми. Вещество, состоящее из нескольких элементов, называется сложным.

Все вещества состоят из мельчайших частиц-молекул, которые в свою очередь образуются из еще более меньших частиц, называемых атомами. В то же время в состав атомов входят другие, еще меньшие частицы, обладающие различными свойствами: ядро и электроны.

При бездействии сил электрического поля электроны в веществах находятся в беспорядочном движении. Происходит это потому, что во многих веществах, главным образом в металлах, электроны недостаточно сильно удерживаются ядром и могут свободно передвигаться от одного атома к другому.

Когда силы электрического поля начинают действовать, движение электронов принимает упорядоченное (направленное) состояние, возникает электрический ток. Отсюда электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение электронов.

Аналоговый амперметр

При упорядоченном движении электроны движутся от того места, где имеется их избыток, туда, где ощущается их недостаток, от минуса к плюсу. Однако исторически в электротехнике условно принято считать, что ток идет от плюса к минусу.

Скорость распределения тока близка к скорости света — 300000 км в секунду. Это не значит, что такой скоростью обладает каждый электрон в отдельности.

Скорость электрона в проводнике составляет лишь доли сантиметра или миллиметра в секунду. Но в результате действия электрического поля ток, возникающий в одном конце провода, мгновенно вызывает прохождение тока по всему проводнику.

Аналогичное явление происходит, например, в трубе, заполненной водой, на одном конце которой находится насос. В момент подачи насосом воды в трубу давление, возникающее в воде, мгновенно передается вдоль трубы от одних частиц к другим. Вода приходит в движение — течет.

Однако частицы воды, добавляемые насосом, дойдут до противоположного конца трубы гораздо позже момента начала вытекания ее из трубы. Численно ток измеряется количеством электрических зарядов, которые проходят через поперечное сечение провода в одну секунду.

Физические аналогии между течением воды в системе водоснабжения и электрическим током: Электропроводка и трубопровод

Электропроводка и трубопровод: аналогии и различия

Постоянный ток

Ток течет по проводам бытовых электроприборов питающихся от розетки — электроны перемещаются туда-сюда 50 раз за секунду — это называется переменным током.

Высокочастотные сигналы внутри электронных приборов — это тоже электрический ток, поскольку электроны и дырки (носители положительного заряда) перемещаются внутри схемы.

Любой электрический ток порождает своим существованием магнитное поле. Вокруг проводника с током оно обязательно присутствует. Не существует магнитного поля без тока и тока без магнитного поля.

Даже если магнитного поля вокруг тока не наблюдается, это лишь значит что магнитные поля двух токов в момент наблюдения взаимно скомпенсированы, как в двужильном проводе любого электрического чайника — переменные токи в каждый момент направлены в противоположные стороны и текут параллельно друг другу — их магнитные поля друг друга нейтрализуют. Это называется принципом наложения (суперпозиции) магнитных полей.

Практически для существования электрического тока необходимо наличие электрического поля, потенциального или вихревого. Исключительно редко заряды перемещаются чисто механическим образом (как например в генераторе Ван Де Граафа — наэлектризованной резиновой лентой).

Генератор Ван Де Граафа:

Генератор Ван Де Граафа

Если электрический ток представляет собой направленное движение электрически заряженных частиц, то нужно найти ответ на вопрос, что приводит эти частицы в движение.

Причиной возникновения и поддержания электрического тока является электрическое поле. Величина этого поля определяется той работой, которую совершает сила электрического поля, перемещая 1 кулон электричества от одного конца проводника до другого.

Если рассмотреть некоторую замкнутую систему, в которой циркулирует вода, то в этой системе должен быть насос, который сообщает частицам воды энергию и заставляет их двигаться по трубопроводам. Частицы воды в процессе их циркуляции отдают полученную ими энергию (затрачивая ее, например, на преодоление сил трения). Когда же частицы воды вновь возвращаются к насосу, то в отличие от своего исходного состояния они обладают меньшей энергией.

Если уподобить электроны частицам воды, то аналогично можно представить себе процессы, протекающие в электрической цепи. В этом случае водяному насосу будет соответствовать некий «насос для электронов», или источник электрической энергии, а трубопроводам будут соответствовать провода. Следует особо подчеркнуть то обстоятельство, что в электрической цепи электроны не производятся, а просто в каждом проводнике имеются свободные высокоподвижные электроны.

Если на некотором участке цепи носители зарядов получают энергию, то принято говорить, что этот участок цепи — источник, развивающий электродвижущую силу (ЭДС).

Итак, в электрическом поле заряженная частица испытывает действие электрической силы, которая у источников тока называется ЭДС — электродвижущая сила. ЭДС измеряется в вольтах как и напряжение между двумя точками электрической цепи.

Электродвижущая сила является причиной, приводящей в движение электрические заряды, и определяется энергией, которая затрачивается на перемещение единичного электрического заряда.

В то же время источник энергии, перемещая заряд по замкнутой цепи, обладающей сопротивлением, совершает работу как на внутреннем участке цепи, так и на внешнем. Следовательно, на этих участках будут возникать напряжения, которые называются падением напряжения на определенном участке.

Поэтому понятие «электродвижущая сила» включает в себя также сумму падений напряжения на внешнем и внутреннем участках цепи источника электроэнергии.

Напряжение и ток — два электрические явления, взаимосвязанные друг с другом. Ток будет протекать по проводнику лишь при наличии разности потенциалов между концами проводника. Чем больше напряжение приложенное к потребителю — тем больший электрический ток это напряжение способно вызвать.

Переменное напряжение порождает в проводнике, к которому оно приложено, переменный ток, поскольку электрическое поле, приложенное к носителям заряда, будет в этом случае также переменным. Постоянное напряжение — условие существования в проводнике тока постоянного.

Высокочастотное напряжение (изменяющее свое направление сотни тысяч раз за секунду) также способствует переменному току в проводниках, но чем выше частота — тем меньше носителей заряда участвуют в создании тока в толще проводника, поскольку электрическое поле действующее на заряженные частицы вытесняется ближе к поверхности, и получается что ток течет не в проводнике, а по его поверхности. Это называется скин-эффект.

Вакуумные лампы

Электрический ток может существовать в вакууме, в проводниках, в электролитах, в полупроводниках и даже в диэлектриках (ток смещения). Правда в диэлектриках постоянного тока быть не может, поскольку в них заряды не имеют возможности к свободному перемещению, а способны лишь смещаться в пределах внутримолекулярного расстояния от своего первоначального положения под действием приложенного электрического поля.

Настоящий электрический ток всегда предполагает возможность свободного перемещения электрических зарядов под действием электрического поля. Смотрите — условия существования электрического тока.

В металлических проводниках электрический ток представляет собой движение «свободных» электронов, причем электроны движутся в направлении, противоположном условному направлению тока (т. к. за направление тока условно принято направления движения зарядов).

Электрический ток в газах представляет собой движение положительных ионов в одном направлении, а электронов (и отрицательных ионов) в другом направлении. Наконец, электрический ток в электролитах представляет собой движение существующих в жидкости положительных и отрицательных ионов в противоположных направлениях.

Сила электрического тока — количество электричества, прошедшее через все поперечное сечение тока за 1 сек., зависит, с одной стороны, от количества движущихся зарядов, а с другой — от средней скорости их регулярного движения.

В металлических проводниках количество движущихся зарядов (свободных электронов) чрезвычайно велико (порядка 10 23 в 1 см 3 ), но зато средняя скорость регулярного движения очень мала (при самых сильных токах, которые может выдержать проводник, эта средняя скорость имеет величину порядка сантиметра в секунду). Обычно несколько меньше количество движущихся зарядов в жидкостях и соответственно их средние скорости несколько больше.

В газах же вследствие их гораздо меньшей плотности и вследствие того, что только небольшая доля всех молекул газа оказывается ионизированной, количество движущихся зарядов гораздо меньше, но зато средние скорости движения электронов и ионов гораздо больше, чем в металлических проводниках, и достигают сотен и даже тысяч километров в секунду.

Понятие «электрический ток» ввел итальянский физик Алессандро Вольта. Электрический ток, или по его версии «электрический флюид» протекал в замкнутой цепи, соединяющей металлическим проводником крайние кружки вольтова столба.

«Вотльтов столб» (1800 г.) был первый источник электричества неэлектростатического типа (источник постоянного электрического тока), который состоял из чередующихся между собой медных и цинковых кружков, разделенных суконными прокладками, смоченными подкисленной водой или кислотой.

Вольтов столб

Существование неизменного высокого потенциала на вольтовом столбе было явлением для того времени совершенно новым. Это был первый химический источник электричества, потенциал которого был постоянен во времени и не требовал каких-либо приемов электризации для его возобновления.

Вольтов столб, составленный из большого количества кружков, имел на концах достаточно высокий потенциал, который можно было обнаружить не только измерительными приборами (в частности электроскопом), но и прикоснувшись к крайним кружкам руками. При этом ощущался сильный электрический удар, как от лейденской банки.

Открытие Вольты очень быстро распространилось в физике, стало предметом дальнейших исследований. В 1800 г. ученые-физики с помощью вольтова столба обнаружили электрохимическое действие тока, и в частности разложение под действием тока воды на кислород и водород. Опыты с гальваническими элементами позволили обнаружить, кроме химических, и другие новые свойства тока, в том числе его тепловое и магнитное действие.

Французский физик А. М. Ампер посвятил ряд своих работ изучению связи электрического тока и магнетизма. Он обнаружил, что два проводника с током испытывают взаимное воздействие — притяжение или отталкивание в зависимости от направления в них токов. Своими работами он заложил основы электродинамики.

Он предложил термин «электрический ток» и ввел понятие о его направлении, совпадающем с движением положительного электричества. В честь А. М. Ампера названа единица измерения электрического тока. Ампер является одной из семи основных единиц системы СИ.

Электрический ток обладает рядом свойств, которые могут быть эффективно использованы во многих практических случаях. К таким свойствам относятся трансформация простыми техническими средствами энергии электрического тока в энергию других видов (тепловую, световую, механическую, химическую) и возможность передачи ее на большие расстояния, быстрота распространения.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в ве­ществе до момента установления равновесного состояния протекают во времени, создавая токи смещения, в диэлектриках. Токи смеще­ния упругосвязанных зарядов при электронной и ионной поляри­зациях столь кратковременны, что их обычно не удается зафиксиро­вать прибором. Токи смещения различных видов замедленной поля­ризации, наблюдаемые у большого числа технических диэлектриков, называют абсорбционными токами. При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя свое направление, протекают только в моменты включения и выключения напряжения; при переменном напряжении они протекают в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.

Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свобод­ных зарядов приводит к возникновению слабых по величине сквоз­ных токов. Ток утечки в техническом диэлектрике представляет собой сумму сквозного тока и тока абсорбции

Рис. 3. Зависимость тока утечки через диэлектрик от времени

После завершения процессов поляризации через диэлектрик протекает только сквозной ток. Токи смещения необходимо принимать во внимание при измерениях проводимости диэлектриков ввиду того, что при неболь­шой выдержке образца диэлектрика под напряжением обычно регистрируется не только сквозной ток, но и сопровождаю­щий его ток абсорбции, вследствие чего может создаться неправильное представ­ление о большой проводимости. Проводи­мость диэлектрика при постоянном напря­жении определяется по сквозному току.

При переменном напря­жении активная проводимость определяется не только сквозным током, но и активными составляющими абсорбционных токов.

Рис.4. Проводимость диэлектриков при переменных полях f1<f2

Особенностью электропроводности диэлектриков в большинстве случаев является ее неэлектронный (ионный) характер.

Истинное сопротивление диэлектрика Rиз, определяющее сквоз­ной ток, может быть вычислено по следующей формуле:

где iут — наблюдаемый ток утечки; U — приложенное напряжение; iаб — суммарный ток абсорбции.

Поскольку при определении абсорбционных токов даже замед­ленных видов поляризации возникают некоторые трудности, сопро­тивление диэлектрика рассчитывают обычно как частное от деления напряжения на ток, измеренный через одну минуту после включе­ния напряжения и принимаемый за сквозной ток.

Для твердых электроизоляционных материалов необходимо раз­личать объемную и поверхностную проводимость.

Для сравнительной оценки объемной и поверхностной проводи­мости различных материалов пользуются значениями удельного объемного сопротивления и удельного поверхностного сопротив­ления .

По удельному объемному сопротивлению может быть определена удельная объемная проводимость, по удельному поверхностному сопротивлению — удельная поверхностная проводимость.

В системе СИ удельное объемное сопротивление равно объем­ному сопротивлению куба с ребром в 1 м, мысленно вырезанного из исследуемого материала (если ток проходит сквозь куб, от одной его грани к противоположной), умноженному на 1 м.

Удельное поверхностное сопротивление равно сопротивлению квадрата (любых размеров), мысленно выделенного на поверхности материала, если ток проходит через квадрат, от одной его стороны к противоположной.

Полная проводимость твердого диэлектрика, соответствующая его сопротивлению изоляции, складывается из объемной и поверх­ностной проводимостей.

Электропроводность изоляционных материалов обусловливается состоянием вещества: газообразным, жидким или твердым, а также зависит от влажности и температуры окружающей среды. Некоторое влияние на проводимость диэлектриков оказывает также напряжен­ность поля в образце, при которой проводится измерение.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

Диэлектрическими потерями называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вы­зывающую нагрев диэлектрика.

Потери в диэлектриках наблюдаются как при переменном напря­жении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживается сквозной ток, обусловленный проводимо­стью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется, как указыва­лось выше, значениями удельных объемного и поверхностного сопротивлений. При переменном напряжении необходимо использо­вать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозного тока, возникают дополнитель­ные причины, вызывающие потери в диэлектрике.

Диэлектрические потери в электроизоляционном материале можно характеризовать рассеиваемой мощностью, отнесенной к единице объема, или удельными потерями; чаще для оценки способности диэлектрика рассеивать мощность в электрическом поле пользуются углом диэлектрических потерь, а также тангенсом этого угла.

Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол фазового сдвига между током и напряжением в емкост­ной цепи. Для идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи будет опережать вектор напряжения на 90°, при этом угол диэлек­трических потерь будет равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в теплоту, тем меньше угол фазового сдвига и тем больше угол и его функция tg .

Пояснить возникновение угла диэлектрических потерь возможно с помощью векторной диаграмме, которая строится на основе электрической схемы замещения.

Рис.5. Векторная диаграмма

Недопустимо большие диэлектрические потери в электроизо­ляционном материале вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия и могут привести к его тепловому разрушению. Даже если напряжение, приложенное к диэлектрику, недостаточно велико для того, чтобы за счет диэлектрических потерь мог произойти недопустимый перегрев, то и в этом случае большие диэлектрические потери могут принести существенный вред, увеличивая, например, активное сопротивление колебательного контура, в котором исполь­зован данный диэлектрик, а следовательно, и величину затухания.

Природа диэлектрических потерь в электроизоляционных мате­риалах различна в зависимости от агрегатного состояния вещества. Диэлектрические потери могут обусловливаться сквозным током или, как указывалось при рассмотрении явления поляризации, активными составляющими токов смещения. При изучении диэлек­трических потерь, непосредственно связанных с поляризацией диэлектрика, можно характеризовать это явление поляризации кри­выми, представляющими зависимость электрического заряда на электродах конденсатора с данным диэлектриком от приложенного к конденсатору напряжения (рис. 6). При отсутствии потерь, вы­зываемых явлением поляризации, заряд линейно зависит от напря­жения (рис. 6, а) и такой диэлектрик называется линейным. Если в линейном диэлектрике наблюдается замедленная поляризация, связанная с потерями энергии, то кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид эллипса (рис. 6, б). Площадь этого эллипса пропорциональна количеству энергии, которая поглощается диэлектриком за один период изменения напряжения.

Для нелинейного диэлектрика—сегнетоэлектрика—кривая за­висимости заряда от напряжения приобретает вид петли гистерезиса, характерной для магнитных материалов. Площадь петли пропорциональна потерям энергии за один период в единице объема диэлектрика.

­

Рис. 6. Зависимость заряда от напряжения для ли­нейного диэлектрика без потерь (а), с потерями (б)

В технических электроизоляционных материалах, помимо по­терь от сквозной электропроводности и потерь от замедленной поля­ризации, возникают диэлектрические потери, которые сильно влияют на электрические свойства диэлектриков. Эти потери вызываются наличием изолированных друг от друга посторонних проводящих или полупроводящих включений углерода, оксидов железа; они зна­чительны даже при малом содержании таких примесей в электроизо­ляционном материале.

При высоких напряжениях потери в диэлектрике возникают вследствие ионизации газовых включений внутри диэлектрика, особенно интенсивно происходящей при высоких частотах.

ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля пре­высит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением Uпр, а соответствующее значение напряженности поля — электрической прочностью диэлектрика.

Пробивное напряжение измеряется чаще всего в киловольтах. Электрическая прочность определяется про­бивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:

где h— толщина диэлектрика.

Удобные для практических целей численные значения электри­ческой прочности диэлектриков получаются, если пробивное на­пряжение выражать в киловольтах, а толщину диэлектрика — в мил­лиметрах. Тогда электрическая прочность будет в киловольтах на миллиметр.

Пробой газа обусловливается явлением ударной и фотонной ионизации. Пробой жидких диэлектриков происходит в результате иони­зационных и тепловых процессов. Одним из главнейших факторов, способствующих пробою жидкостей, является наличие в них посто­ронних примесей. Пробой твердых тел может вызываться как элект­рическим, так и тепловым процессами, возникающими под дейст­вием поля.

Явление электрического пробоя связано с электронными про­цессами в диэлектрике, возникающими в сильном электрическом поле и приводящими к внезапному резкому местному возрастанию плот­ности электрического тока к моменту пробоя.

Тепловой пробой является следствием уменьшения активного сопротивления диэлектрика под влиянием нагрева в электрическом поле, что приводит к росту активного тока и дальнейшему увеличению нагрева диэлектрика вплоть до его термического разрушения.

При длительном действии напряжения пробой может быть выз­ван электрохимическими процессами, происходящими в диэлектрике под воздействием электрического поля.

Пробой газов — явление чисто элек­трическое. Поэтому все численные результаты экспериментов по пробою газов относятся к максимальным (амплитудным) значениям напряжения. Поскольку в разрушении жидких и особенно твердых диэлектриков существенную роль играют тепловые процессы, то при приложении к диэлектрикам переменного напряжения чис­ленные значения пробивного напряжения относятся к действую­щим.

Магнитные материалы обладают способностью при внесении их в магнитное поле намагничиваться, а некоторые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия магнит­ного поля.

Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектрик, при воздействии на него электрического поля, поляризуется: на его поверхностях наводятся электрические заряды. Если электрическое поле увеличивать, то при большом напряжении наступает пробой диэлектрика, его структура меняется, возникает электрический ток.

Что такое поляризация?

Диэлектрики – это вещества, не имеющие, при нормальных условиях, свободных электрических зарядов.

атом углерода в кристалле алмаза Атом углерода в кристалле алмаза

Рассмотрим отдельный атом диэлектрика, например, атом углерода в кристалле алмаза. Он симметричен. У него есть положительно заряженное ядро и отрицательно заряженное электронное облако. Суммарный электрический заряд атома равен нулю, он электрически нейтрален.

Когда на атом действует внешнее электрическое поле, его электронное облако меняет форму, смещается в сторону положительных электрических зарядов. Атом становится полярным: у него появляются положительный и отрицательный полюса.

На поверхности кристалла, обращенной к положительному электроду, формируется отрицательный заряд. На противоположной поверхности, обращенной к отрицательному электроду – заряд положительный.

Диэлектрик, на который не действует электрическое поле. Атомы нейтральны. Диэлектрик, на который не действует электрическое поле. Атомы нейтральны. Диэлектрик помещен между положительным и отрицательным электродами. На поверхностях диэлектрического тела формируются электрические заряды. Диэлектрик помещен между положительным и отрицательным электродами. На поверхностях диэлектрического тела формируются электрические заряды.

Значит ли это, что мы наблюдаем хорошо известный эффект «статического электричества»? Нет, в данном случае на поверхность не попадают дополнительные электроны. Причиной поляризации является действие внешнего электрического поля, деформирующее электронные облака атомов.

Что такое пробой диэлектрика?

Если внешнее поле увеличивается до больших значений, происходит пробой диэлектрика. Электронное облако вытягивается, вытягивается… и в конце концов рвется. Электроны с поверхности тела улетают к положительному электроду, а оторвавшиеся электроны в толще вещества пробивает себе дорогу, проталкиваясь между другими атомами и выбивая с орбит дополнительные электроны.

Число свободных носителей заряда стремительно растет, происходит лавинный эффект. При этом с отрицательного электрода на «положительную» сторону тела устремляются электроны, компенсирующие убыль собственных носителей заряда в образце. В диэлектрике образуются проводящие каналы, по ним идет большой ток, от которого сильно повышается температура; вещество разрушается.

Результаты подобных явлений – пробитые конденсаторы в радиоаппаратуре, разрушенная изоляция в электротехнических устройствах.

Грозой разряд

Самое яркое, всем знакомое проявление пробоя диэлектрика – это грозовые разряды. Но что является источником электрического напряжения во время грозы? Откуда берется внешнее электрическое поле в небе? Здесь проявляется еще одно свойство диэлектриков: они способны сами создавать и накапливать значительные количества свободных носителей заряда.

Статическое электричество

Когда мы рассыпаем искры, снимая синтетическую одежду, или испытываем неприятный укол тока, прикасаясь к металлической поверхности – это разряд статического электричества. Диэлектрики способны накапливать на своей поверхности большие количества свободных носителей заряда. Это «лишние» электроны или, напротив, неполные атомы, лишившиеся одного или двух электронов из своего электронного облака.

Потеря зарядов и их приобретение происходит при трении тел или при их соприкосновении. Знаменитый опыт с расческой, электризующей волосы, иллюстрирует это явление: пластмасса, при трении о волосы, теряет электроны, а на волосинках они накапливаются. В результате волосы, приобретая одноименный заряд, отталкиваются друг от друга, а расческа интенсивно притягивает пылинки, чтобы скомпенсировать недостаток электронов.

Массы влажного воздуха, образующие грозовые тучи, накапливают заряды, взаимодействуя с ионосферой. Возможно и формирование разноименных зарядов в грозовых тучах, происходящее от взаимодействия воздушных потоков разной температуры и влажности. Воздух, при нормальных условиях, является диэлектриком, но при накоплении в тучах зарядов возникает очень большое напряжение между тучами и землей.

Особенно сильна напряженность поля возле заостренных возвышающихся предметов: мачты, вершины гор, электрические опоры «притягивают» молнии. Происходит пробой диэлектрика, с образованием в воздухе лавинного канала; по этому каналу идет сильный ток.

Опасные предрассудки, связанные с электрическими разрядами

С таким мощным проявлением разряда статического электричества, как гроза, люди имеют дело многократно по нескольку раз в год. Иногда кто-то становится жертвой молнии.

Увы, до сих пор существует вредный, смертельно опасный предрассудок: невежественные люди думают, что человека, пострадавшего от тока, нужно закопать в землю, «чтобы электричество вышло». Они что-то слышали о заземлении, и оправдывают этим свои абсурдные действия. Этого делать нельзя!

В человеке, пострадавшем от электрического тока, нет никакого «электричества», но оно прошло через его тело, вызвав шок. Нужна срочная помощь: искусственное дыхание, массаж сердца, вызов медицинской помощи. Активные действия могут вывести пострадавшего из шока. Даже отсутствие действий лучше, чем «заземление» пострадавшего.

Удар молнии в дерево

Чтобы не стать жертвой молнии, нужно помнить: разряд притягивается к возвышающимся предметам. Нельзя стоять под высоким деревом или рядом с электроопорой во время грозы. Если вы на вершине холма – скорее спуститесь вниз. Если на плоской равнине – желательно найти ложбину или овраг и спуститься в нее; туда молния не ударит.

Спровоцировать лавинный эффект электрического разряда может не только металлический столб, но и источник радиосигнала. Опасно звонить по мобильному телефону, если надвигается гроза.

Что такое диэлектрические потери и из-за чего они возникают?

Мы привыкли считать, что потери электрической энергии происходят в проводниках из-за сопротивления. Это верно, но существуют ещё диэлектрические потери. Они хоть и незначительны, но при определённых условиях их влияние может оказаться ощутимым. О потерях энергии в диэлектрической среде первыми обеспокоились энергетики, применявшие в качестве диэлектрика трансформаторное масло.

Что такое диэлектрические потери?

Применение электроизоляционных материалов основано на том, что они препятствуют электрическому току преодолевать некоторое пространство, ограниченное изолятором. Идеальный изолятор должен абсолютно исключить условия для проводимости электрического тока. К сожалению, в природе не существует таких материалов. Таких диэлектриков также не сумели создать в лабораторных условиях.

Теоретически можно обосновать существование идеальных изоляторов, но синтезировать на практике такие вещества не реально, так как даже ничтожно малая доля примесей образует диэлектрическую проницаемость. Иначе говоря, рассеяния энергии в диэлектрической среде будут наблюдаться всегда. Речь может идти об усилиях, направленных на уменьшение таких потерь.

Исходя из того, что часть электроэнергии неизбежно теряется в изоляторе, был введён термин «диэлектрические потери» – необратимый процесс преобразования в теплоту энергии электрического поля, пронизывающего диэлектрическую среду, То есть, это электрическая мощность, направленная на нагревание изоляционного материала, пребывающего в зоне действия электрического поля.

Значение потерь определяется как отношение активной мощности к реактивной. Обычно активная мощность, потребляемая диэлектриком очень мала, по сравнению с реактивной мощностью. Это значит, что искомая величина тоже будет мизерной – сотые доли от единицы. Для вычислений используют величину «тангенс угла», выраженную в процентах.

Электрическую характеристику, выражающую рассеивающее свойство диэлектрика, называют тангенсом угла диэлектрических потерь. При расчётах принято считать, что диэлектрик является изоляционным материалом конденсатора, меняющего ёмкость и дополняющий до 90º угол сдвига фаз φ, образованный векторами напряжения и тока в цепи. Данный угол обозначают символом δ и называют углом рассеивания, то есть, диэлектрических потерь. Величина, численно равна тангенсу данного угла ( tgδ ), это и есть та самая характеристика диэлектрического нагрева.

tgδ применяется в расчётах для определения величины рассеиваемой мощности по соответствующей формуле. Поэтому его вычисление имеет практическое значение. Введение понятия тангенса угла позволяет вычислять относительные значения диэлектрических потерь. А это позволяет сравнивать по качеству различные изоляторы.

Именно этот показатель или просто угол δ производители трансформаторных масел указывают на упаковке своей продукции. По величине угла ( tg δ ) можно судить о качестве изолятора: чем меньше угол δ, тем высшие диэлектрические свойства проявляет изоляционный материал.

Методика расчета

Составим схему, в которой включен конденсатор с диэлектриком. При этом активная мощность в данной схеме должна соответствовать мощности, рассеиваемой в диэлектрике рассматриваемого конденсатора, а угол сдвига, образованный векторами тока и напряжения, должен равняться углу сдвига в конденсаторе. Такие условные схемы с последовательным и параллельным включением активного сопротивления представлены на рис. 1. На этой же картинке построены векторные диаграммы для каждой схемы.

Эквивалентные схемы диэлектрика Рис. 1. Эквивалентные схемы диэлектрика Формулы для расчетаРис. 2. Формулы для расчета

Значения символов понятны из рисунка 1.

Заметим, что в качественных диэлектриках величина tg 2 δ очень мала, поэтому ею можно пренебречь. Тогда каждая из формул для вычисления диэлектрических потерь приобретёт вид: Pa = U 2 *ω*C*tδ. Если напряжение в этой формуле выразить в вольтах, угловую частоту ( ω ) в с -1 , а ёмкость C в фарадах, то получим мощность ( Pa ) в ваттах.

Очевидно, что параметры вычислений на основании приведённых схем зависят от частоты. Из этого следует, что вычислив параметры диэлектриков на одной частоте, их нельзя автоматически переносить для расчётов в других диапазонах частот.

Механизмы потерь по-разному проявляются в твёрдых, жидких и газообразных веществах. Рассмотрим природу рассеяний в этих диэлектриках.

Диэлектрические потери в разных диэлектриках

В газах

Для газообразных веществ или их включений в материалах диэлектрика характерны ионизационные потери при определённых условиях: когда молекулы газа ионизируются. Например, ионизация газов происходит во время электрических пробоев сквозным током. При этом молекулы газа превращаются в ионы, создавая токопроводящий канал с максимумом напряженности. В результате диэлектрические потери лавинообразно возрастают, стремясь к максимуму tg угла.

При таких диэлектрических потерях мощность стремительно растёт: Ри = А1 f (U – Uи) 3 , где А1 постоянная, зависящая от вида вещества, f — частота поля, а символами U, Uи обозначено приложенное напряжение и напряжение ионизации, зависящее от давления газа.

Если величина напряжения Uи не достигает порога, необходимого для запуска процесса ударной ионизации, то нагревание диэлектрика является незначительным, потому что, при поляризации, пространственная ориентация дипольных молекул в газах не влияет на электропроводность. Поэтому газы – самые лучшие диэлектрики, с низкими потерями, особенно в диапазоне высоких частот.

Зависимость тангенса угла рассеивания мощности в диэлектриках с газовыми включениями, иллюстрирует график на рис. 3.

Зависимость тангенса угла изоляторов с воздушными включениями от напряжения

Рис. 3. Зависимость тангенса угла потерь

В жидких диэлектриках

Наличие диэлектрических потерь в жидкостях, в основном зависят от их полярности. В среде неполярных диэлектриков рассеяния обусловлены электропроводностью. При наличии в жидких веществах примесей дипольных молекул (так называемые полярные жидкости), рассеивание мощности может быть значительным. Это связано с повышением электропроводности, в результате дипольно-релаксационной поляризации.

Жидкие полярные изоляторы имеют выраженную зависимость потерь от вязкости. Поворачиваясь под действием магнитного поля в вязкой среде, диполи, в результате трения, нагревают её. Рассеиваемая мощность жидкого диэлектрика возрастает до тех пор, пока механизмы поляризации успевают за изменениями электрического поля. При достижении максимума поляризации процесс стабилизируется.

В твердых веществах

Высокочастотные диэлектрики с неполярной структурой обладают небольшим tg δ. К ним относятся качественные материалы:

  • сера;
  • полимеры;
  • парафин и некоторые другие.

Потери у диэлектриков с полярной молекулой более значительны. К таким материалам можно отнести:

  • органические стёкла;
  • эбонит и другие каучуковые вещества;
  • полиамиды;
  • целлюлозосодержащие материалы;
  • фенолоформальдегидные смолы.

Керамические диэлектрики без примесей имеют плотную ионно-решётчатую структуру. У них высокое удельное сопротивление. а значение tg δ таких материалов не превышает величины 10 -3 .

Вещества с неплотным расположением ионов обладают ионной поляризацией. У них наблюдается также электронно-поляризационная поляризация. tg δ этих диэлектриков ещё выше – от 10 -2 .

Сегнетоэлектрики и вещества со сложными неоднородными структурами, такие как текстолит, пластмассы, гетинакс и другие, имеют tg δ > 0,1.

Рассеивание мощности в результате сквозной электропроводимости происходит во всех диэлектриках. Однако потери становятся ощутимыми лишь при частотах от 50 до 1000 Гц, в температурном режиме более 100 ºC. Высокое переменное напряжение, как и удельное сопротивление также влияет на величину рассеивания.

Виды диэлектрических потерь

В зависимости от электрических свойств различных видов диэлектриков различают следующие виды диэлектрических потерь, сопровождающихся нагревом диэлектрика:

  • ионизационные потери, наблюдаемые в газах;
  • релаксационные потери в жидких (вязких) диэлектриках, в результате релаксационной поляризации;
  • рассеяние в веществах, имеющих дипольную поляризацию;
  • поляризационное рассеивание в веществах, имеющих сквозную электропроводность;
  • высокочастотные резонансные потери;
  • диэлектрические потери, вызванные неоднородностью структуры твердых диэлектриков.

Диэлектрические вещества по-разному ведут себя при различных температурах, при постоянном или переменном токе. Максимумы потерь происходят при достижении определённого порога температуры. Этот порог индивидуален для каждого вещества. Тангенс угла δ зависит также от приложенного напряжения (рис. 4).

Зависимость тангенса угла от напряжения

Рис. 4. Зависимость тангенса угла от напряжения

Чем измерить?

Рассчитывать потери диэлектриков по формуле не очень удобно. Часто величину tg производители определяют опытным путём и указывают на упаковках или в справочниках.

Существуют специальные измерительные приборы, такие как «ИПИ – 10» (производитель Tettex), «Тангенс – 3М» или измеритель «Ш2», позволяющие с высокой точностью определить уровень рассеивания в диэлектриках либо найти тангенс угла рассеяния. Устройства довольно компактны и просты в работе. С их помощью можно исследовать свойства твёрдых и жидких веществ на предмет диэлектрических потерь.

Проектируем электрику вместе

Сопротивление проводников. Проводимость. Диэлектрики. Применение проводников и изоляторов. Полупроводники.

Физические вещества многообразны по своим электрическим свойствам. Наиболее обширные классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Проводники

Основная особенность проводников – наличие свободных носителей зарядов, которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему вещества.
Как правило, к таким веществам относятся растворы солей, расплавы, вода (кроме дистиллированной), влажная почва, тело человека и, конечно же, металлы.

Металлы считаются наиболее хорошими проводниками электрического заряда.
Есть также очень хорошие проводники, которые не являются металлами.
Среди таких проводников лучшим примером является углерод.

Все проводники обладают такими свойствами, как сопротивление и проводимость. Ввиду того, что электрические заряды, сталкиваясь с атомами или ионами вещества, преодолевают некоторое сопротивление своему движению в электрическом поле, принято говорить, что проводники обладают электрическим сопротивлением (R).
Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью (G).

G = 1/ R

То есть, проводимостьэто свойство или способность проводника проводить электрический ток.
Нужно понимать, что хорошие проводники представляют собой очень малое сопротивление потоку электрических зарядов и, соответственно, имеют высокую проводимость. Чем лучше проводник, тем больше его проводимость. Например, проводник из меди имеет б о льшую проводимость, чем проводник из алюминия, а проводимость серебряного проводника выше, чем такого же проводника из меди.

Диэлектрики

В отличие от проводников, в диэлектриках при низких температурах нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

К диэлектрикам относятся, в первую очередь, газы, которые проводят электрические заряды очень плохо. А также стекло, фарфор, керамика, резина, картон, сухая древесина, различные пластмассы и смолы.

Предметы, изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами. Надо отметить, что диэлектрические свойства изоляторов во многом зависят от состояния окружающей среды. Так, в условиях повышенной влажности (вода является хорошим проводником) некоторые диэлектрики могут частично терять свои диэлектрические свойства.

О применении проводников и изоляторов

Как проводники, так и изоляторы широко применяются в технике для решения различных технических задач.

К примеру, все электрические провода в доме выполнены из металла (чаще всего медь или алюминий). А оболочка этих проводов или вилка, которая включается в розетку, обязательно выполняются из различных полимеров, которые являются хорошими изоляторами и не пропускают электрические заряды.

Нужно отметить, что понятия «проводник» или «изолятор» не отражают качественных характеристик: характеристики этих материалов в действительности находятся в широком диапазоне – от очень хорошего до очень плохого.
Серебро, золото, платина являются очень хорошими проводниками, но это дорогие металлы, поэтому они используются только там, где цена менее важна по сравнению с функцией изделия (космос, оборонка).
Медь и алюминий также являются хорошими проводниками и в то же время недорогими, что и предопределило их повсеместное применение.
Вольфрам и молибден, напротив, являются плохими проводниками и по этой причине не могут использоваться в электрических схемах (будут нарушать работу схемы), но высокое сопротивление этих металлов в сочетании с тугоплавкостью предопределило их применение в лампах накаливания и высокотемпературных нагревательных элементах.

Изоляторы также есть очень хорошие, просто хорошие и плохие. Связано это с тем, что в реальных диэлектриках также есть свободные электроны, хотя их очень мало. Появление свободных зарядов даже в изоляторах обусловлено тепловыми колебаниями электронов: под воздействием высокой температуры некоторым электронам все-таки удается оторваться от ядра и изоляционные свойства диэлектрика при этом ухудшаются. В некоторых диэлектриках свободных электронов больше и качество изоляции у них, соответственно, хуже. Достаточно сравнить, например, керамику и картон.

Самым лучшим изолятором является идеальный вакуум, но он практически не достижим на Земле. Абсолютно чистая вода также будет отличным изолятором, но кто-нибудь видел ее в реальности? А вода с наличием каких-либо примесей уже является достаточно хорошим проводником.
Критерием качества изолятора является соответствие его функциям, которые он должен выполнять в данной схеме. Если диэлектрические свойства материала таковы, что любая утечка через него ничтожно мала (не влияет на работу схемы), то такой материал считается хорошим изолятором.

Существуют вещества, которые по своей проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками.
Такие вещества называют полупроводниками. Они отличаются от проводников сильной зависимостью проводимости электрических зарядов от температуры, а также от концентрации примесей и могут иметь свойства, как проводников, так и диэлектриков.

В отличие от металлических проводников, у которых с ростом температуры проводимость уменьшается, у полупроводников проводимость растет с увеличением температуры, а сопротивление, как величина обратная проводимости — уменьшается.

При низких температурах сопротивление полупроводников, как видно из рис. 1 , стремится к бесконечности.
Это значит, что при температуре абсолютного нуля полупроводник не имеет свободных носителей в зоне проводимости и в отличие от проводников ведёт себя, как диэлектрик.
При увеличении температуры, а также при добавлении примесей (легировании) проводимость полупроводника растет и он приобретает свойства проводника.

Рис. 1 . Зависимость сопротивлений проводников и полупроводников от температуры

Примерами классических полупроводников являются такие химические элементы, как кремний (Si) и германий (Ge). Более подробно об этих элементах читайте в статье «О проводимости полупроводников».

Статьи по теме: 1. Что такое электрический ток?
2. Постоянный и переменный ток
3. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона
4. Направление электрического тока
5. О скорости распространения электрического тока
6. Электрический ток в жидкостях
7. Проводимость в газах
8. Электрический ток в вакууме
9. О проводимости полупроводников

Внимание!
Всех интересующихся практической электротехникой приглашаю на страницы своего нового сайта «Электрика для дома». Сайт посвящен основам электротехники и электричества с акцентом на домашние электрические установки и процессы, в них происходящие.

голоса
Рейтинг статьи
Читайте так же:
Розетки для выпечки как пользоваться
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector