Электрическое поле

1.

Электрическое поле
Тема 1.1

2.

Понятия
• Электромагнитное поле, особая форма материи, которая
осуществляет взаимодействие частиц, имеющих электрический
заряд. Электромагнитное поле характеризуется вектором
напряжённости электрического поля E и вектором магнитной
индукции B.
• В среде электромагнитное поле дополнительно характеризуется
вектором электрической индукции D и вектором напряжённости
магнитного поля H.

3.

Электрическое поле
• Электрическое поле – это вид материи, образующийся вокруг
заряженных тел, посредством которого они взаимодействуют
друг с другом. Сила взаимодействия двух точечных зарядов
определяется законом Кулона:
*для вакуума
.
• При этом если заряженные тела имеют одинаковые заряды, то
они отталкиваются друг от друга, а разноимённые –
притягиваются. Заряженные тела взаимодействуют друг с другом
посредством их электрических полей. Выделяют следующие
характеристики электрического поля:

4.

силовая характеристика – напряжённость
• Напряжённость электрического поля – это сила, которая действует на
единицу заряда, помещённого в данное электрическое поле:
Измеряется в [В/м].
• Если определённый точечный заряд Q образует электрическое поле,
то напряжённость этого поля в точке, находящейся на расстоянии r от
заряда вычисляется по формуле: E = Q/(4πε εr^2) (СИ) где Q– заряд,
образующий данное электрическое поле; ε0 =8.85*10-12Ф/м
диэлектрическая постоянная вакуума – электрическая постоянная; r –
расстояние от точечного заряда до точки наблюдения. За
направление напряжённости принимают направление силы,
действующей на положительный заряд.
0

5.

энергетическая характеристика
электрического поля – потенциал
• В каждой точке электрического поля на внесённый в это поле
заряд действует определённая сила. При перемещении заряда в
электрическом поле будет совершаться работа. При этом каждая
точка электрического поля будет характеризоваться потенциалом.
Потенциал поля в данной точке – это потенциальная энергия
электрического поля в этой точке, приходящаяся на единицу
помещённого в эту точку заряда:
Потенциал поля,
создоваемого точечным зарядом
• Потенциал поля характеризует возможную работу, которую
совершает электрическое поле или которая совершается над
электрическим полем при перемещении этого заряда в точку с
другим потенциалом

6.

Разность потенциалов
• Поскольку работа будет совершаться только при перемещении
заряда между точками, обладающими неодинаковыми
потенциалами, то физический смысл имеет лишь разность
потенциалов, или напряжение между двумя точками
электрического поля. Разность потенциалов – напряжение:
• Поэтому, когда употребляют термин ″потенциал″, имеют в виду
разность потенциалов между данной точкой, потенциал которой
измеряют, и бесконечно удалённой точкой пространства,
потенциал которой можно считать равным 0.

7.

• При этом потенциал в данной точке поля, созданного точечным
зарядом Q, равен:
• Считают, что напряженность электрического поля – отрицательный
градиент потенциала.

8.

Воздействие на вещество эл. поля
• Действие электрического поля на различные вещества
неодинаково и зависит от их внутреннего строения. По этому
действию все вещества делят на:
• проводники электрического тока;
• полупроводники;
• диэлектрики (изоляторы).

9.

Проводники
• Проводники характеризуются тем, что в них под действием
электрического поля образуется электрический ток – направленное
движение заряженных частиц. Это происходит благодаря тому, что в
проводниках имеются свободные заряды.
• Удельным сопротивлением низкое: ρ≤10-8 Ом см.
• Примерами проводников служат: металлы ( носитель заряда:
свободные электроны) и растворы электролитов (в которых
свободными зарядами являются положительно заряженные ионы –
катионы и отрицательно заряженные ионы – анионы). Также к
проводникам можно отнести плазму.

10.

Диэлектрик
• В диэлектриках нет свободных носителей зарядов, поэтому под
действием электрического поля в них не возникает
электрического тока, но возникает явление, называемое
поляризацией диэлектрика – приобретение диэлектриком
полярности за счёт разделения в нём положительных и
отрицательных зарядов под действием электрического поля.
• Существует 3 вида поляризации: ориентационная, электронная и
ионная.

11.

Поляризация
• Электронная (деформационная) поляриза
ция – возникновение дипольного момента
в неполярных молекулах. Она обусловлена
смещением электронной оболочки атома
относительно ядра во внешнем поле.
• Ориентационная (дипольная) поляризация – возникновение дипольного
момента в диэлектрике с полярными молекулами вследствие ориентации
дипольных моментов молекул по направлению поля.
• Ионная поляризация – возникновение дипольного момента
в ионных кристаллах, вызванное смещением подрешеток
положительных ионов вдоль поля, а отрицательных – против поля.

12.

Пробой диэлектриков
• Пробой диэлектрика – это потеря электроизоляционных свойств
материалом при напряженности поля, которая превышает
определенное критическое значение. Он сопровождается
разрушением молекулярной структуры.
• Значение напряжения, при котором происходит пробой
диэлектрика, называется пробивным напряжением, а значение
напряженности электрического поля, соответствующее
пробивному напряжению, - электрической прочностью
диэлектрика.
• Пробой (длительный или кратковременный) диэлектрика приводит
к потере диэлектрических свойств и образованию канала с
высокой электрической проводимостью.

13.

Пробой диэлектриков
• Электрическая прочность диэлектрика определяется пробивным
напряжением U, отнесенным к толщине d диэлектрика в месте
пробоя.
• На практике, для изоляторов значения электрической прочности
достигают десятков и сотен кВ/см.

14.

Пробой диэлектриков

15.

Пробой диэлектриков
• Пробой в газообразных и жидких
диэлектриках отличается от пробоя в твердых
диэлектриках тем, что в силу подвижности
частиц после снятия напряжения пробитый
промежуток диэлектрика полностью
восстанавливает свои диэлектрические
свойства, т.е. первоначальное значение
пробивного напряжения Uпр, при условии, что
длительность и величина электрической дуги
не были столь велики, чтобы вызвать
необратимые изменения в диэлектрике или в
токопроводящих частях аппарата.

16.

Пробой диэлектриков
• Для надежной работы диэлектрика в любых установках значение
рабочего напряжения Uраб должно быть существенно меньше
пробивного Uпр
• Отношение Uпр / Uраб называется коэффициентом запаса
электрической прочности изоляции. Электрическая прочность
высококачественных твердых диэлектриков, как правило, выше,
чем электрическая прочность жидких и газообразных
диэлектриков.

17.

Перекрытие изолятора
• Поэтому если расстояние между ближайшими точками
электродов по поверхности твердой изоляции ненамного
превосходит расстояние по объему изоляции, то при повышении
напряжения в первую очередь пробивается не изоляция, а
происходит поверхностный пробой - перекрытие изоляции, т.е.
разряд в прилегающем к твердой изоляции слое газообразного
диэлектрика, например воздуха (перекрытие фарфоровых
изоляторов).

18.

Виды пробоя диэлектриков
- электрический;
- электротепловой;
- электромеханический;
- электрохимический;
- ионизационный.
*Для твердых диэлектриков явно выражены четыре первых вида пробоя

19.

Электрический пробой
электрический пробой представляет собой непосредственное
разрушение структуры диэлектрика силами электрического поля,
воздействующими на электрически заряженные частицы
диэлектрика; он развивается практически мгновенно. Поэтому,
если пробой не произошел сразу после приложения
электрического поля к диэлектрику, он должен выдержать это поле
длительно.

20.

Тепловой(электротепловой)пробой
• Электротепловой пробой (тепловой) связан с нагревом изоляции в
электрическом поле и диэлектрическими потерями*. Развитие теплового
пробоя идет по следующей схеме: при некоторой разности потенциалов на
электродах (например, Uраб) в диэлектрике выделяется тепловые потери, его
температура повышается, увеличиваются потери и процесс продолжается до
тех пор, пока диэлектрик не оплавиться или произойдет его обугливание (в
зависимости от того термопластичный или термореактивный материал) и его
собственная электрическая прочность упадет до такой величины, что
произойдет пробой диэлектрика. Тепловой пробой, так же как и
электрический может быть местным. Если удельная активная проводимость
диэлектрика мала и температурный коэффициент Тк невелик, то при хороших
условиях отвода тепла в окружающее пространство устанавливается тепловое
равновесие между выделяющимся в диэлектрике теплом и его отводом в
окружающую среду, и диэлектрик будет длительно работать при данном
напряжении. При тепловом пробое Uпр зависит от частоты приложенного
напряжения, уменьшаясь при значительных частотах и так же снижаясь при
возрастании температуры.

21.

*Диэлектрическими потерями называется энергия, рассеиваемая в
диэлектрике при воздействии на него электрического поля Е и
вызывающая нагрев диэлектрика. Диэлектрические потери
наблюдаются как при переменном, так и при постоянном
напряжении.
В постоянном поле: потери Р в диэлектрике обусловлены выделением
тепла Джоуля при прохождении сквозного тока:
Р = U^2/R ,
R – сопротивление диэлектрика, U – приложенная разность
потенциалов.
В переменном поле:
U = U0*sinωt
U0 – амплитуда, ω = 2*3.14*f – круговая частота переменного
напряжения.

22.

*Электромеханический пробой
• Электромеханический пробой сопровождается механическим
разрушением и образованием микротрещин под действием
электрического поля и механического давления электродов.

23.

Электрохимический пробой (старение)
• Электрохимический пробой – вид медленно развивающегося
пробоя, вызванного химическим изменением материала под
действием электрического поля. Процесс этот часто связан со
старением диэлектрика и является необратимым, особенно, в
области дефекта.

24.

Ионизационный пробой
• Ионизационный пробой объясняется действием на диэлектрик
химически агрессивных веществ, образующихся в газовых порах
диэлектрика при частичных разрядах в газе, а также эрозией
диэлектрика на границе пор ионами газа.
• Пробой газов обусловлен явлениями ударной и фотонной
ионизации. Электрическая прочность воздуха невелика в
сравнении с жидкости и твердых диэлектриков. Явление пробоя
газа зависит от степени однородности поля, в котором
осуществляется пробой.

25.

При малых расстояниях между электродами, порядка нескольких
микрон, электрическая прочность газов сильно увеличивается. Это
объясняется тем, что из-за малости расстояния процесс ионизации
затруднен, и ионизация наступает при более высоком напряжении.
Экспериментально установлено, что пробивное напряжение
любого газа пропорционально произведению давления газа Р на
расстояние между электродами h (при Т = const).

26.

Пробой жидких диэлектриков
Пробой жидких диэлектриков происходит при более высоких, чем в
газе, значениях пробивного напряжения, при прочих равных
условиях. Повышенная электрическая прочность жидкого
диэлектрика обусловлена значительно меньшей длиной свободного
пробега электронов в жидкости, чем в газах. Пробой технических
жидкостей может быть связан с газовыми включениями, что
вызывает ионизацию газа и местный перегрев жидкости, приводящей
к образованию газового канала в ней. Вода в диэлектрике также
сильно снижает электрическую прочность.

27.

Пробой твердых диэлектриков
Чисто электрический пробой наблюдается, когда исключено влияние
электропроводности и диэлектрических потерь и отсутствует
ионизация газовых включений. Такой пробой отмечается у
монокристаллов щелочно-галлоидных соединений и у некоторых
полимеров.
Электрическая прочность при электрическом пробое не зависит от
температуры, но после достижения температурой некоторых
определенных значений заметно уменьшается: это говорит о
наличии теплового пробоя.