Электротехника
Содержание
1. Электрическое поле и его параметры............................................................ 2
2. Закон Кулона................................................................................................... 3
3. Конденсаторы (виды и устройства)................................................................ 4
4.Соединение конденсаторов.............................................................................. 6
Список использованных источников.................................................................. 8
Приложения......................................................................................................... 8
Работу выполнил Карасев Захар.
Группы ЭО-1-21
Электрическое поле и его параметры
Идея электрического поля была введена М. Фарадеем и теоретически обоснована Дж. Максвеллом.
Электрическое поле неразрывно связано с магнитным полем, и возникает в результате его изменения. Эти два вида материи являются компонентами электромагнитных полей, заполняющих пространство вокруг заряженных частиц или заряженных тел.
Электрический заряд - величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия заряженных частиц. Обозначение - q или Q. (Единица измерения - Кулон.)
Вокруг заряда в любой среде, в том числе и в вакууме, возникает электрическое поле.
Электрическое поле - пространство, в котором на электрически заряженные частицы и тела воздействует сила
(рис.1)
Электрическое поле неподвижных зарядов не меняется со временем и называется электростатическим полем.
Свойства электрического поля:
1. Порождается электрическим зарядом.
2. Обнаруживается по действию на заряд.
3. Действует на заряд с некоторой силой.
4. Распространяется в пространстве с конечной скоростью с=3·108 м/с.
Силовой характеристикой электрического поля является напряженность.
Напряженность электрического поля – векторная физическая величина, равная отношению силы, действующей на пробный точечный заряд q, к заряду:
Направление вектора напряженности совпадает с направлением вектора кулоновской силы.
Закон Кулона
Эксперименты с заряженными частицами проводили много физиков:
Все эти учёные очень близко подошли к открытию закона, но никому из них не удалось математически обосновать свои догадки. Несомненно, они наблюдали взаимодействие заряженных шариков, но установить закономерность в этом процессе было непросто.
Кулон проводил тщательные измерения сил взаимодействия. Для этого он даже сконструировал уникальный прибор – крутильные весы (Рис. 2).
У придуманных Кулоном весов была чрезвычайно высокая чувствительность. Прибор реагировал на силы порядка 10-9 Н. Коромысло весов, под действием этой крошечной силы, поворачивалось на 1º. Экспериментатор мог измерять угол поворота, а значит и приложенную силу, пользуясь точной шкалой.
Формулировка
Кулон исследовал взаимодействие между шариками, ничтожно малых размеров, по сравнению с расстояниями между ними. В физике такие заряженные тела называются точечными. Другими словами, под определение точечных зарядов подпадают такие заряженные тела, если их размерами, в условиях конкретного эксперимента, можно пренебречь.
Для точечных зарядов справедливо утверждение: Силы взаимодействия между ними направлены вдоль линии, проходящей через центры заряженных тел. Абсолютная величина каждой силы прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Данную зависимость можно выразить формулой: |F1|=|F2|=(ke*q1*q2) / r2 (Рис. 3.)
Остаётся добавить, что векторы сил направлены друг к другу для разноименных зарядов, и противоположно, в случае с одноимёнными зарядами. То есть между разноимёнными зарядами действует электрическое притяжение, а между одноимёнными – отталкивание.
Таким образом, закон Кулона описывает взаимодействие между двумя электрическими зарядами, которое лежит в основе всех электромагнитных взаимодействий.
Конденсаторы
В классическом понимании конденсатором является радиоэлектронное устройство, предназначенное для накопления энергии электрического поля, обладающее способностью накапливать в себе электрический заряд, с последующей передачей накопленной энергии другим элементам электрической цепи. Устройства очень часто используют в различных электрических схемах.
Конденсаторы способны очень быстро накапливать заряд и так же быстро отдавать всю накопленную энергию. Для их работы характерна цикличность данного процесса. Величина накапливаемого электричества и периоды циклов заряда-разряда определяется характеристиками изделий, которые в свою очередь зависят от типа модели. Параметры этих величин можно определить по маркировке изделий.
Простейшим конденсатором являются две металлические пластины, разделённые диэлектриком. Выступать в качестве диэлектрика может воздушное пространство между пластинами. (рис.4)
Конструкции современных конденсаторов отличаются от рассматриваемой нами модели. С целью увеличения ёмкости вместо пластин используют обкладки из алюминиевой, ниобиевой либо танталовой фольги, разделённой диэлектриками. Эти слоеные ленты туго сворачивают в цилиндр и помещают в цилиндрический корпус.
Работа конденсатора
При подаче напряжения на конденсатор создаётся электрическое поле на металлических пластинах и элемент заряжается как аккумуляторная батарея небольшой ёмкости. Совсем небольшой ёмкости. Диэлектрик, расположенный между пластинами, не позволяет замкнуть цепь и соединиться зарядам. Получается, что каждый конденсатор является накопительным элементам, так как после отключения напряжения, заряды некоторое время остаются на металлических пластинах.
Единицу измерения ёмкости принятоназывать фарадой (Ф). 1 F – очень большая величина, поэтому на практике часто применяют кратные величины: микрофарады (1 мкФ = 10-6 F), нанофарады (1 нФ = 10-9 F = 10-3 мкФ), пикофарады (1 пкФ = 10-12 F = 10-6 мкФ). Очень редко применяют величину милифараду (1 мФ = 10-3 Ф).
В качестве диэлектриков применяют:
· бумагу;
· полипропилен;
· тефлон;
· стекло;
· полистирол;
· органические синтетические плёнки;
· эмаль;
· титанит бария;
· керамику и различные оксидные материалы.
Классификация
Основные параметры конденсаторных изделий определяются типом диэлектрика. От материала зависит стабильность ёмкости, тангенс диэлектрических потерь, пьезоэффект и другие. Исходя из этого, классификацию моделей целесообразно осуществлять именно по виду диэлектрик
По данному признаку различают следующие типы изделий:
· вакуумные;
· с воздушным диэлектриком;
· радиоэлементы, в которых диэлектриком является жидкость;
· с твёрдым неорганическим диэлектриком (стекло, слюда, керамика). Характеризуются малым током утечки;
· модели с бумажным диэлектриком и комбинированные, бумажно-плёночные;
· масляные конденсаторы постоянного тока;
· электролитические;
· категория оксидных конденсаторов, к которым относятся оксидно-полупроводниковые и танталовые конденсаторы;
· твердотельные, у которых вместо жидкого электролита используется органический полимер или полимеризованный полупроводник.
В твердотельных моделях срок службы больший, чем у жидко-электролитических и составляет около 50 000 часов. У них меньшее внутренне сопротивление, то есть ЭПС почти не зависит от температуры, они не взрываются.
Классификация по изменению емкости:
· постоянные конденсаторы, то есть те, которые имеют постоянную емкость;
· переменные, у которых можно управлять изменением ёмкости механическим способом либо с помощью приложенного напряжения (варикапы и вариконды), а также путём изменения температуры (термоконденсаторы);
· класс подстроечных конденсаторов, которые используют для подстройки или выравнивания рабочих ёмкостей при настройке контуров, а также с целью периодической подстройки различных схем.
Специальный класс:
· импульсные;
· пусковые;
· высоковольтные;
· помехоподавляющие,
· дозиметрические и др.;
Соединение конденсаторов
Параллельное соединение
Параллельное соединение характеризуется тем, что все пластины электрических конденсаторов присоединяются к точкам включения и образовывают собой батареи. В таком случае, во время заряда конденсаторов каждый из них будет иметь различное число электрических зарядов при одинаковом количестве подводимой энергии. Емкость при параллельной установке рассчитывается исходя из емкостей всех конденсаторов в схеме. При этом, количество электрической энергии, поступающей на все отдельные двухполюсные элементы цепи, можно будет рассчитать, суммировав сумму энергии, помещающейся в каждый конденсатор. Вся схема, подключенная таким образом, рассчитывается как один двухполюсник. На обкладки всех конденсаторов попадает одинаковое напряжение. (Рис.5)