3.Основные электрические свойства диэлектрика.

Считается, что ток через диэлектрик не проходит. В действительности ток через диэлектрик протекает, хотя и слабый, так как всегда имеется небольшое количество свободных зарядов. Этот ток называют током электропроводности диэлектрика. Под действием этого тока диэлектрик нагревается. Таким образом, под действием электрического поля часть его энергии рассеивается в диэлектрике, превращаясь в теплоту. Величину этой энергии в единицу времени (мощность) называют диэлектрическими поте­рями.

Диэлектрические потери вызывают нагрев изоляции электроустановок и вызывают ухудшение свойств изоляции. Нагрев диэлектриков используется для сушки материалов или ускорения химических реакций.

Если внешнее электрическое поле увеличивать, то при некотором его значении нарушается дипольная связь. Процесс ионизации возрастает, возникает лавинообразный процесс, и диэлектрик теряет свои свойства, становясь проводником, т.е. наступает пробой диэлектрика. Пробой жидких и газообразных диэлектриков обратим, а твердых диэлектриков необратим, так как в местах пробоя материал разрушается. Напряженность поля, при которой наступает пробой диэлектрика, называется электрической прочностью, а напряжение, при котором совершается пробой — пробивным напряжением.

Электрическая прочность — основное свойство диэлектриков. Электрическая прочность воздуха в однородном поле — 30 кВ/см, фарфора — 150 кВ/см, слюды — 500 кВ/см и т.д.

Электрическая прочность Епр диэлектрика — это та наименьшая напряженность электрического поля, при которой начинается пробой диэлектрика. Рабочие напряжения диэлектриков Uпр принимают меньшим, чем Епр, так как учитывается влияние изменения температуры и влажности диэлектрика.

4. Конденсаторы.

Для накопления значительного количества разноименных электрических нарядов применяются конденсаторы.

Конденсатор — это система из двух проводников, разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Если проводниками являются две плоскопараллельные металлические пластины, то такой конденсатор называют плоским. Пластины, имеющие разные по знаку заряды, имеют и разные потенциалы. Таким образом, между пластинами конденсатора имеется напряжение

U = φ1 - φ2.

Каждый конденсатор обладает определенной емкостью, т.е. способностью содержать величину заряда, определяющуюся формулой

C = q/U. (4.1)

Емкость конденсатора от напряжения не зависит, так как изменению напряжения соответствует пропорциональное изменение величины заряда. Единица измерения емкости — фарад (Ф).

Один фарад это емкость такого конденсатора,

при заряде которого в 1 Кл возникает напряжение на обкладках 1 В, т.е. 1 Ф = 1 Кл/1 В.

Емкость плоского конденсатора определяется по формуле

C = ee₀S/d, (4.2)

где d — расстояние между пластинами; S — площадь обкладок.

Емкость плоского конденсатора тем больше, чем больше диэлектрическая проницаемость среды, площадь пластины и чем меньше расстояние между пластинами.

По типу диэлектрика конденсаторы подразделяются на воздушные, бумажные, слюдяные, керамические, электролитиче­ские. В бумажных конденсаторах проводниками являются две длинные ленты алюминиевой фольги, а диэлектриком — ленты парафинированной бумаги.

Соединив конденсаторы в группу можно получить батарею.

Рис. 4.1 Соединение конденсаторов в батарею: а — последовательное; б — параллельное

Соединяют конденсаторы последовательно и параллельно. При последовательном соединении конденсаторов (рис.4.1.а) можно записать

U = U1 + U.2 + … +Un, а т.к. U = q/C и заряды на пластинах всех последовательно соединенных конденсаторов одинаковы, то подставив значения напряжений, можно получить формулу для определения эквивалентной емкости:

1/С = 1/C₁ + 1/С₂ + ... + 1/С_n , (4.3)

При соединении п конденсаторов одинаковой емкости, емкость батареи равна

С_б = С/п. (4.4)

При параллельном соединении конденсаторов (рис.4.1.б) все конденсаторы находятся под одинаковым напряжением, равным напряжению источника: U = U1 = U2 = U3. На обкладках этих конденсаторов имеются заряды, определяемые по (4.1).

Общий заряд равен сумме зарядов отдельных конденсато­ров, т. е

q = q1 = q2 = q3 откуда емкость батареи

СбU = (С1 + С₂ + С₃)U; С_б = С1 + С₂ + С₃. (4-5)

При параллельном соединении п одинаковых емкостей эквивалентная емкость

С= nС.

Как правило последовательное соединение конденсаторов используют для увеличения рабочего напряжения, а параллельное для увеличения рабочей емкости.

Конденсаторы как накопители электрических зарядов и энергии электрического поля широко применяются в электронике и электротехнических устройствах. Они используются для сглаживания пульсаций в выпрямителях переменного тока, в электрических колебательных контурах, для разделения постоянной и переменной составляющих тока и т.д.