1-6. Энергия электрического поля

При увеличении напряжения на конденсаторе, подключенном к источнику питания, увеличиваются заряды на его обкладках и напряженность поля в диэлектрике конденсатора. При этом естественно увеличивается и энергия электрического поля конденсатора за счет поступления ее от источника питания.

Увеличению напряжения на конденсаторе на соответствует приращение энергии электрического поля конденсатора (1-3)

Вся энергия накопленная в электрическом поле конденсатора при возрастании напряжения на его зажимах от до может быть найдена суммированием элементарных энергий

Таким образом, энергия электрического поля конденсатора

Если заряженный конденсатор отключить от источника питания, а затем его обкладки замкнуть проводником, то произойдет разрядка, а кратковременный разрядный ток выделит в проводнике количество тепла, эквивалентное потенциальной энергии поля заряженного конденсатора.

Пример 1-2. Определить энергию, запасенную в электрическом поле конденсатора емкостью 10 мкФ, если напряжение на конденсаторе 300 В.

Решение.

Энергия электрического поля

1-7. Поляризация диэлектрика

При внесении диэлектрика в электрическое поле под действием сил поля орбиты электронов смещаются в направлении, противоположном полю, вследствие чего ядра атомов оказываются уже не в центрах электронных орбит (рис. 1-9, а), а на некотором расстоянии от них (рис. 1-9, б).

Рис. 1-9. Неполярная молекула: а — при отсутствии внешнего поля; б — при наличии внешнего поля; в — ее эквивалентный диполь.

С точки зрения электрических свойств такой атом (молекулу) можно рассматривать как электрический диполь, т. е. как пару разноименных точечных зарядов и (рис. 1-9, в), находящихся на небольшом расстоянии l друг от друга (плечо диполя).

Заряды, образующие диполи диэлектрика, называются связанными, а произведение величины заряда Q и плеча l — электрическим моментом диполя

Электрический момент — векторная величина, направленная от отрицательного заряда диполя к положительному. Таким образом, молекулы во внешнем поле становятся диполями, электрические моменты которых стремятся расположиться в направлении внешнего поля. При исчезновении поля исчезает и смещение электронных орбит. Явление смещения называется поляризацией диэлектрика.

Поляризованные молекулы создают свое электрическое поле, направленное противоположно основному, в результате происходит ослабление основного поля. Способность диэлектрика поляризоваться под действием электрического поля оценивается диэлектрической проницаемостью, которая показывает, во сколько раз ослабляется основное поле вследствие поляризации.

У диэлектрика, расположенного в периодически изменяющемся электрическом поле, смещение также будет периодическим, что влечет за собой его нагревание.

Чем чаще изменяется электрическое поле, тем сильнее нагревается диэлектрик. Это явление используется для нагревания диэлектриков с целью их сушки или получения химических реакций, требующих повышенной температуры. Мощность, идущая на нагрев диэлектрика, обусловленная периодическим смещением и отнесенная к единице объема, называется удельными диэлектрическими потерями.

Повышая напряженность электрического поля, в котором расположен диэлектрик, можно достигнуть такого значения ее, при котором произойдет пробой диэлектрика, т. е. местное разрушение его. Эта напряженность поля называется пробивной напряженностью или электрической прочностью Диэлектрика, а напряжение при пробое пробивным напряжением .

Характер пробоя может быть различным.

При электрическом пробое немногие, в начальный момент свободные электроны в диэлектрике под действием электрического поля достигают определенной критической скорости, достаточной для отщепления новых электронов от нейтральных атомов и молекул диэлектрика — возникает ударная ионизация, приводящая к пробою.

При тепловом пробое происходит разогрев диэлектрика в электрическом поле, при котором происходит термическое повреждение или разрушение, например растрескивание, обугливание и т. д. Причиной разогрева могут быть диэлектрические потери или увеличение электропроводности диэлектрика и значительное не пропорциональное возрастание объемного тока (см. § 2-4) при повышении напряжения.

Прочность диэлектрика зависит от ряда условий: рода напряжения, скорости изменения его, продолжительности действия напряжения, формы электрического поля (формы электродов), толщины диэлектрика, его температуры, влажности, а у газов и от давления.

Для надежности работы электроустановки необходимо, чтобы все диэлектрики ее работали при напряженностях, не выше допустимых, которые должны быть в несколько раз меньше пробивных. Электрическая прочность некоторых диэлектриков приведена в табл. 1-1.

Пример 1-3. Лист электрокартона толщиной 0,3 см зажат между двумя плоскими металлическими электродами. Определить допускаемое и пробивное напряжения. Допускаемое напряжение должно быть в 3 раза меньше пробивного.

Решение.

По табл. 1-1 находим пробивную напряженность для электрокартона В/см.

Пробивное напряжение

Допустимое напряжение