Vezetők, dielektrikumok és félvezetők

1. Villamos áramvezetékek. Az elektrosztatikus indukció jelensége. Minden anyag, az elektromos vezetőképességtől függően, vezetőkre, dielektrikumokra és félvezetőkre van osztva. A vezetők első és második születésűek. Az első típusú vezetők közé tartozik az összes fém és ötvözete. A fém kristályrácsja pozitív ionok sorozatából áll, amelyek között a szabad elektronok minden irányban mozognak. Külső elektromos mező hiányában a fémekben lévő szabad elektronok véletlenszerűen, azaz nagyon eltérő irányokban mozognak. Az E szilárd lapos kondenzátor elektromos mezőjében egy fémes vezetőt helyezünk el (1.15. Ábra). Hatása alatt a mező kényszeríti a szabad elektronokat a fémlemez fog mozogni, hogy a pozitív töltésű lemez a kondenzátor és a felhalmozott egyik felületén magas vérnyomás, ami egy negatív töltés rajta indukciós - Qind. A BW lemez másik felén ugyanaz a pozitív töltés + Qind jelenik meg.

Így a lemezben az elektromos töltések elválaszthatók. Gyorsan, a Qind töltés a Q kondenzátor lemezén feltöltődik. Ezután megszűnik az elektromos töltések elvezetése a vezetékben. Az elektromos töltések elvezetését a vezető testben egy külső elektromos tér hatása alatt elektrosztatikus indukciónak nevezzük.

Az elektrosztatikus indukció töltése + Qind és - Qind a vezetéken egy külső mezővel ellentétes irányban irányított Eind irányú belső mezőt hoz létre. Amikor a Qinq = Q töltések egyenlők, a feszültségek egyenlőek is: Erez = E. Így a fémvezeték belsejében belső mező alakul ki, amely teljesen kiegyensúlyozza a külső mezőt. Ennek következtében a vezetéken belül keletkező mező intenzitása nulla lesz, vagyis Erez = E - Einq = 0. A vezetéken belüli elektrosztatikus mező hiánya miatt minden pontja azonos lehet. Ennélfogva a vezető felülete egy ekvipotenciális felület, és térfogata a kapott elektromos tér ekvipotenciális térfogata. Az elektromos tér nemcsak a szilárd vezetőben, hanem a fémhéj belsejében is hiányzik (1.16. Ábra). Ez a tulajdonság arra szolgál, hogy megvédje az eszközöket az idegen elektrosztatikus mezők hatásaitól. Ebből a célból a P készüléket fém hüvelybe vagy szitahálóba helyezzük.

A második típusú kondenzátorok közé tartoznak a sók, savak, lúgok olvadt sói és vizes oldatai. Ezeket a vezetékeket elektrolitoknak nevezik. Feloldódás esetén a só, sav vagy lúgos molekulák egy része pozitív és negatív ionokká bomlik, amelyek véletlenszerűen átkerülnek az elektrolit térfogatán. De ha elektromos elektromágneses tér alakul ki az elektrolitban, akkor erõinek hatása alatt az ionok rendezett mozgásban lesznek: a pozitív ionok elsõsorban a mezõ irányába mozognak, és a negatív ionok az ellenkezõ irányba mozognak. Ilyen szabályozott ionok mozgása elektromos áram.

Így az első típusú vezetők szerint a szabad elektronok mozoghatnak, és az ionok követik a második vezetőket. 2. Dielektrikumok. A polarizáció jelensége. Tekintsünk olyan anyagokat, amelyek az elektrotechnika dielektrikumának nevezhetők. Ezek közé tartozik a kerámia, üveg, csillám, kvarc, azbeszt, műanyag, gumi, ásványi olajok, lakkok, levegő stb.

A dielektrikumokban a normál körülmények között, a vezetőkkel ellentétben, a szabad elektromosan töltött részecskék szinte hiányoznak. Ezért elhanyagolható elektromos vezetőképességük van, vagyis nem elektromos áramot vezetnek. Bizonyos körülmények között a dielektrikumokban a molekulák ionokra oszthatók (például magas hőmérséklet vagy erős elektromos tér hatására). Ebben az esetben elveszítik szigetelő tulajdonságaikat és vezetővé válnak. Egy lapos kondenzátor elektromos mezőjében (1.17. Ábra) egy dielektromos lemezt helyezünk. Ha egy vezetőben az elektromos térerő hatására a töltött részecskék a vezető teljes térfogatán keresztül mozognak, akkor a dielektrikában az elektromos töltések szabad mozgása nem lehetséges. De a dielektrikum egyik molekulájában a pozitív töltésű részecskék elmozdulása az elektromos mező irányában és a negatív töltésű részecskék ellenkező irányban. A molekulán belül töltött, töltött részecskékkel egyidejűleg kapcsolódnak és egyidejűleg kapcsolódnak egy úgynevezett dipólumot. Ezt a jelenséget egy dielektrikum polarizációjának nevezik. Polarizációja annál nagyobb, annál erősebb az elektromos mező.

A legtöbb dielektrikum polarizációja teljesen megszűnik a külső mező eltűnésével. Csak egy kis csoportja dielektrikumok (Rochelle-só, bárium-titanát, ólom-titanát, és így tovább. D-) eltűnését egy külső mező megőriz egy maradvány polarizáció. Részletesebben a külső elektromos mezőbe helyezett dielektrikumokat vizsgáljuk, például egy lapos kondenzátor területén.

A dielektrikum AB és SH felületén a kondenzátor lemezei felé nézve a + Qp és Qp töltések koncentrálódnak. A dielektrikumban a dipólusok pozitív és negatív töltései kölcsönösen kiegyensúlyozottak. Polarizációs díjak + Qpol és Qpol létrehoznak egy belső elektromos mezőt (polarizációs mező) a külső mező felé irányítva. A kapott dielektromos mezőt a Qpez = Q - Qp részecskék teljes töltése határozza meg. Ez a mező két mező szuperpozíciójának eredményeképpen is megjeleníthető: egy E erősségű külső mező és egy E0p0 intenzitású belső mező, majd a kapott dielektromos térerősség Ерез = E - Епол.

Minél erősebb a dielektrikum polarizálva, annál gyengébb az eredményül kapott mező, vagyis az Erez intenzitása alacsonyabb ugyanazon külső mezőnél, és annál nagyobb a permittivitás # 949;

3. Dielektromos szilárdság. Az E külső mező bizonyos intenzitásával a dielektrikum helyi megsemmisülése nagy vezetőképességű csatorna-dielektromos bomlás kialakulásával előfordulhat, és ezáltal elveszítheti szigetelő tulajdonságait, és vezetővé válhat. Az elektromos térerősség, amelynél a lebomlás előfordul, egy dielektrikum, amelyet dielektromos erőnek vagy bomlási szilárdságnak neveznek.

Az Epr lebontási intenzitása (normál körülmények között és egyenletes állandó mező) értékeit a táblázatban adjuk meg. 1.2. Az a feszültség, amelynél a dielektromos meghibásodás fordul elő, meghibásodási feszültségnek nevezik.

Az Upr leállási feszültség aránya a dielektrikum vastagságához a d lebontási pontban megegyezik a szakadási térerősségével, vagyis a dielektromos szilárdsággal:

A telepítés megbízható működéséhez szükséges, hogy az E megengedett szilárdság többszörösen kisebb legyen, mint a dielektromos erő. A k = Epr / E arányt biztonsági tényezőnek nevezik.

4. Félvezetők. A értéke az elektromos vezetőképesség félvezetők foglalnak köztes helyzetben a vezetékek között, és a dielektrikumok, és számos olyan tulajdonsággal társított bennük való jelenléte elektron és a lyuk-Elektroprom vezetőképesség. P-típusú vezetőképesség miatt elmozdulás alatt egy elektromos mező az úgynevezett lyukak, t. E. Nem elfoglalt ülések vegyérték elektronok az atomok, amely egyenértékű az elmozdulás a pozitív töltésű részecskék, a díjak, amelyeket egyenlő az abszolút értéke az elektron töltése. A félvezetők elektromos vezetőképessége nagymértékben függ a hőmérséklet, a szennyeződések és a megvilágítás mértékétől. Alacsony hőmérsékleten a félvezetők nagy ellenállóképességgel rendelkeznek, és gyakorlatilag szigetelők. Amint a hőmérséklet emelkedik, a fajlagos ellenállása nagymértékben csökken. Szennyeződések jelenlétében a félvezetők elektromos vezetőképessége megváltozik. A félvezetők a szilícium, a germánium, a szelén, a rézoxid, az ólom-szulfid stb.

1.5. Példa. A lapos kondenzátor lemezei közé tartoznak a paraffinozott papír vastagsága d = 0,04 mm. Határozza meg a feszültséget a kondenzátor lemezei között, amelyeknél a dielektromos meghibásodás történik, valamint a megengedhető feszültség, ha a biztonsági határ k = 3,2.

A megoldás. Táblázat szerint. 1.2 a papír elektromos szilárdságát Еpr = 17,5 kV / mm. Átütési feszültség Ubr = EPRD = 17,5 · 0,7 kW = 0,04 = 700 V. A megengedhető feszültség Vaux = Ubr / k = 700 / 3,2 = 220 V.

Feladat. Válaszolj a vezérlő kártya kérdéseire 1.5.

Vezérlődiagram 1.5

AZ 1. FEJEZETRE VONATKOZÓ KIHÍVÁSOK

1.1. Két pont testtel, melyeket Q1 = Q2 = 6 · 10-11, a levegőben 12 cm távolságra helyezkednek el egymástól. Határozzuk meg a töltésmező erősségét a B pontban (1.18. Ábra), ha az AB egyenes vonalára merőleges, és A = B, B = 8 cm.

1.2. Két pontosan feltöltött, azonos nagyságú és ellentétes Q töltöttségű testek vannak elhelyezve a levegőben, amint azt az 1. ábra mutatja. 1.19. Határozza meg a töltések értékét, ha az A pontban az EA térerősség értéke 90 V / m.

Válasz: Q = 5,33 · 10-11 Cl.

1.3. Felszíni töltéssűrűség lapos kondenzátor lemezeken # 963; = 10-10 C / m2. Határozzuk meg a kondenzátor elektromos mezőjében található q = 10-12 Cl pozitív vizsgálati töltetre ható erőt.

Válasz: F = 11,3 · 10-12 N.

1.4. A lapos kondenzátor lemezei 10 x 5 cm méretűek és egymástól 3 mm távolságra vannak egymástól. Határozzuk meg az elektromos térerősség-vektor áramlását a lemezekkel párhuzamos sík között, ha a lemezek közötti feszültség U = 120 V.

Válasz: N = 200 V · m.

1.5. Az U = 6 kV feszültséget 100 × 120 cm-es sík kondenzátor lemezekre kell felhordani. Határozza meg az elektromos térerősséget a dielektromos és a töltés minden lemezén, ha a lemezek közötti távolság d = 0,45 cm, és köztük üveg (# 949; r = 5). Hogyan változtatják meg az eredményeket, ha az üvegt eltávolítják a kondenzátorról a feszültség kikapcsolása nélkül?

Válasz: E = 1333 kV / m, Q = 7,08. 105 Cl.

Az üveg eltávolítása után az elektromos térerősség változatlan marad, mivel U = const, és a töltés minden lemezen ötszörösére csökken.

1.6. A lapos kondenzátor 1. és 2. lemezei között egy vékony fémlemez van behelyezve (1.20. Ábra), a távolságok d1 = 4 mm, d2 = 6 mm. Az U12 kondenzátor lemezének feszültsége 100 V. Határozza meg a 3 lemez potenciálját, feltételezve a negatív töltésű lemez nulla potenciálját.

1.7. Az U = 2 kV feszültséghez egy 80 × 60 cm-es lemezek méreteit és a közöttük levő d = 0,5 cm távolságot tartalmazó lapos levegő kondenzátort kell bekapcsolni. A kondenzátor feltöltése után le lett választva a feszültségforrásról és megduplázta a lemezek közötti távolságot. Határozza meg a töltést minden lemezen, az elektromos térerősséget és a feszültséget a lemezek között a forrás kikapcsolása után. A lemezekről való lemerülést elhanyagolják.

Válasz: Q = 17 · 10-7 Cl, E = 400 kV / m, U = 4 kV.

1.8. A kondenzátor dielektrikuma villamos szilárdsága Епp = 12 kV / mm. Határozza meg a kondenzátor üzemi feszültségét, ha a dielektrikum vastagsága 2 mm, és a szigetelés biztonsági tényezője négyszeres.

előző ◈ a következő