Сделай Сам Свою Работу на 5

Электрические и магнитные поля в вакууме и веществе

УДК 620.179.14

 

Костин В.Н. Электромагнитный контроль. Учебное электронное текстовое издание – Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург, 2013 г.

 

В учебном пособии приведены основные сведения об электромагнетизме, электрических и магнитных свойствах металлов и сплавов, способах создания и измерения магнитных полей. Особое внимание уделено свойствам ферромагнитных металлов. Описаны физические основы магнитных методов контроля нарушений сплошности и толщинометрии. Приведены сведения о магнитопорошковом, феррозондовом, индукционном и других методах дефектоскопии. Изложены основные принципы магнитного структурно-фазового анализа. Приведены сведения о физических принципах и основных методах вихретокового контроля. Описаны наиболее распространенные методы и устройства контроля эксплуатационных свойств металлических изделий.

 

Илл. 132 , табл. 10, библиограф. назв. 20.

 

С Уральский федеральный университет им. первого Президента России

Б.Н. Ельцина

С Институт физики металлов УрО РАН

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

От автора. 5

ЧАСТЬ I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО.. 6

КОНТРОЛЯ.. 6

1. Металлы - объекты электромагнитного контроля. 6

2. Электрические и магнитные поля в вакууме и веществе. 15

2.1. Электрическое поле. 15

2.2. Магнитное поле. 25

2.3. Закон электромагнитной индукции. 38

2.4. Система уравнений Максвелла. 43

3. Ферромагнетизм. 50

3.1. Поведение ферромагнетиков во внешних магнитных полях. 50

3.2. Энергии ферромагнитного кристалла. 58

3.3. Доменная структура ферромагнетиков. 65

3.4. Процессы намагничивания. 71

3.5. Зависимость магнитных свойств ферромагнетика. 80

от дефектов структуры.. 80

3.6. Намагничивание магнетиков конечных размеров. 86

3.7. Магнитные свойства тела и вещества. 90

3.8. Магнитные цепи. 93

ЧАСТЬ II. МАГНИТНЫЙ КОНТРОЛЬ. 96

4. Магнитная дефектоскопия. 96

4.1. Граничные условия. 96

4.2. Рассеяние магнитного потока дефектом сплошности. 97

4.3. Намагничивание изделий. 99

4.4. Расчеты полей дефектов. 104

4.5. Mагнитопорошковая дефектоскопия. 120

4.6. Индукционная дефектоскопия. 130

4.7. Феррозондовый метод дефектоскопии. 135

4.8. Магнитографическая дефектоскопия. 143

4.9. Холловские и другие методы магнитной дефектоскопии. 150

4.10. Магнитная толщинометрия. 153

5. Магнитный структурно-фазовый анализ металлов и сплавов. 155

5.1. Структурная чувствительность физико-механических свойств. 156

5.2. Контроль механических свойств изделий, упрочняемых. 160

холодной пластической деформацией. 160

5.3. Контроль качества термической обработки стальных изделий. 176

5.4. Контроль качества поверхностного упрочнения стальных изделий. 191

5.5. Фазовый магнитный анализ. 196

5.6. Устройства магнитного контроля структуры, состава и механических свойств материалов и изделий. 206

Часть III. ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ. 213

6. Возбуждение вихревых токов. Скин-эффект. 213

7. Вихретоковый контроль. Вихретоковые преобразователи. 231

8. Сигнал ВТП. Обобщенный параметр контроля. 242

9. Контроль цилиндрических объектов наружным проходным ВТП с однородным полем. Выбор наилучших условий контроля. 248

10. Вихретоковый контроль с помощью накладных преобразователей. 266

11. Способы ослабления влияния мешающих параметров. 269

12. Приборы вихретокового контроля. 278

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 285

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. 286

 

 

 

От автора

Современные нормативные документы предполагают разделение всех методов неразрушающего контроля на 9 видов: акустический, контроль проникающими веществами, магнитный, электрический, вихретоковый, радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный. Однако магнитный и вихретоковый виды контроля объединяет глубокая взаимосвязь лежащих в их основе электрических и магнитных явлений. Поэтому в данном учебном пособии автор старался рассматривать магнитные и вихретоковые методы контроля и диагностики с единых позиций электромагнетизма. В учебное пособие включены также некоторые технические сведения, необходимые при разработке и применении магнитных и вихретоковых приборов контроля и диагностики.

 

ЧАСТЬ I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО

КОНТРОЛЯ

1. Металлы­­­­­ – объекты электромагнитного контроля

Металлы и металлические сплавы, как электропроводящие вещества, являются самыми распространенными объектами вихретокового контроля, а ферромагнитные металлы и сплавы являются объектами магнитного контроля. Знание строения и свойств металлических сплавов является непременным условием правильного использования методов и средств контроля и диагностики.

> > > >

 


Рис. 1.1. Схема, иллюстрирующая различную ориентацию кристаллических решеток в поликристаллическом теле

 

Строение реальных металлов. При выплавке металла в силу ряда причин (в т.ч. из-за соприкосновения в процессе роста при кристаллизации различно ориентированных кристаллов) в реальном металле отдельные кристаллы не имеют возможности принять правильную форму. Кристаллы неправильной формы в поликристаллическом веществе называются зернами или кристаллитами. Различие отдельных зерен состоит в различной пространственной ориентации кристаллической решетки (рис. 1.1). Зерна металла разориентированы относительно друг друга на величину в несколько десятков градусов (большеугловые границы). Зерна могут состоять из фрагментов, разориентированных лишь на несколько градусов. Наконец, фрагменты могут состоять из блоков, разориентированных на очень небольшие углы от секунд до нескольких минут. Границы между отдельными зернами в поликристаллическом теле представляют собой переходную область шириной в 5–10 межатомных расстояний, в которой решетка одного кристалла, имеющего определенную кристаллографическую ориентацию, переходит в решетку другого кристалла с иной кристаллографической ориентацией. Поэтому на границе зерна атомы расположены менее правильно, чем в объеме зерна. Кроме того, по границам зерен в технических металлах концентрируются примеси, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов. Несколько меньшие нарушения наблюдаются на границах блоков и субзерен.

Характер и степень нарушения правильности или совершенства кристаллического строения в значительной степени определяют свойства металлов.

К несовершенствам кристаллического строения относятся точечные дефекты: вакансии, замещенные атомы, внедренные атомы (рис. 1.2а, б, в).

 


а б в

Рис. 1.2. Схема точечных дефектов:

а – вакансия; б – замещенный атом; в – внедренный атом

 

Другим важнейшим видом несовершенства являются дислокации, представляющие собой лишние полуплоскости атомов (рис. 1.3). Край А-А такой плоскости образует линейный дефект (несовершенство) решетки, который называется краевой дислокацией. Краевая дислокация может простираться в длину на многие тысячи параметров решетки, может быть прямой, но может и выгибаться в ту или другую сторону. В пределе она может закрутиться в спираль, образуя винтовую дислокацию. Вокруг дислокации возникает зона упругого искажения решетки. Расстояние от центра дефекта до места решетки без искажения принимают равным ширине дислокации, она невелика и равна нескольким атомным расстояниям. Вследствие искажения решетки в районе дислокации последняя легко смещается от нейтрального положения, а соседняя плоскость, перейдя в промежуточное положение, превратится в экстраплоскость, образуя дислокацию вдоль краевых атомов. Таким образом, дислокация может перемещаться (вернее передаваться, как эстафета) вдоль некоторой плоскости (плоскости скольжения), расположенной перпендикулярно к экстраплоскости (рис. 1.3).

 
A
B
C

 

 


Рис. 1.3. Дислокация в кристаллической решетке (В) и её

Плоскость сдвига (С)

 

Граница зерна является препятствием для движения дислокаций, поэтому у границ зерен плотность дислокаций больше. Напряжения, концентрируясь у различных включений, порождают (генерируют) дислокации. Дислокации неравномерно распределены по объему металла, поэтому их распределение образует дислокационную структуру. Часто дислокации образуют сетку, точнее ячеистую структуру. Механические свойства металлов зависят от количества дислокаций и, особенно, от способности их к перемещению и размножению.

Кроме рассмотренных дефектов кристаллической решетки, в металле всегда имеются различные пустоты, неметаллические включения, микро- и субмикроскопические трещины, остаточные напряжения и т.д.

Рассматривая различные плоскости, например в о.ц.к. решетке, можно легко заключить, что они заполнены атомами с различной плотностью.

Так, в заштрихованном квадрате о.ц.к. решетки (рис. 1.4а) центры атомов располагаются по вершинам. Поскольку каждый из этих атомов принадлежит одновременно четырем квадратам, на долю каждого квадрата с площадью приходится полностью один атом.

а
б

 

 


 

Рис. 1.4. Плоскости в решетке объемоцентрированного куба

 

В заштрихованном прямоугольнике той же решетки на площадь (рис. 1.4б) приходится два атома, а на долю каждого атома – площадь , что меньше площади , т.е. на этой площади атомов расположено больше.

Свойства отдельно взятого кристалла (монокристалла) по данному направлению отличаются от свойств в другом направлении и, естественно, зависят от того, сколько атомов встречается в этом направлении. В наиболее плотно заполненных кристаллографических плоскостях атомы прочнее связаны друг с другом. С другой стороны, наиболее плотно заполненные плоскости, будучи удаленными друг от друга на относительно большие расстояния в сравнении с мало заполненными, будут слабее связаны друг с другом. Таким образом, механическая прочность кристалла будет зависеть от направления приложения силы. Различие физических свойств в зависимости от направления испытания носит название анизотропии. Анизотропия – особенность любого кристалла, характерная для кристаллического строения. Кристаллографическая анизотропия влечет за собой анизотропию не только механических, но и других физических свойств, включая электрические и магнитные.

Реальный металл состоит из многих кристаллов; размер каждого кристалла измеряется долями миллиметра, и поэтому в 1 см3 металла содержатся десятки тысяч кристаллов. Произвольность ориентировки каждого кристалла приводит к тому, что в любом направлении располагается примерно одинаковое количество различно ориентированных кристаллов. В результате получается, что свойства такого поликристаллического тела одинаковы во всех направлениях, хотя свойства каждого кристалла, составляющего это тело, зависят от направления. Это явление называется квазиизотропией (ложная изотропия).

В некоторых случаях желательно иметь поликристаллическое тело с явно выраженной анизотропией. В этом случае все или большинство кристаллов (зерен) должны быть ориентированы в пространстве одинаково. Такая преимущественная ориентировка кристаллов носит название “текстура”. Степень преимущественной ориентации может быть различна – от случайного распределения до 100 %-ной ориентации всех кристаллов в одном направлении (например, при высоких степенях холодной пластической деформации металла). Текстуру можно также получить при затвердевании расплавленного металла, электролизе и других обработках.

Электрические и магнитные свойства металлов. Металлы хорошо проводят электрический ток, т.е. являются проводниками. Основой изучения электрических свойств металлов и их сплавов является закон Ома, связывающий прямой пропорциональностью разность потенциалов на концах проводника и силу тока по нему протекающего:

. (1.1)

Коэффициент пропорциональности между и называется электрическим сопротивлением проводника . Единицей измерения сопротивления является 1 Ом.

Величина обратная электрическому сопротивлению проводника называется электрической проводимостью

(1.2)

и измеряется в единицах Ом-1, названных сименс (См).

Величиной, характеризующей электрические свойства самого металла, является его удельное сопротивление . Оно определяется физической природой материала проводника и не зависит от его формы и размеров. Значение может быть получено измерением сопротивления на образце длиной и сечением по формуле:

, (1.3)

где измеряется в метрах; – в мм2. Величина обычно измеряется в мкОм . см.

Удельная электрическая проводимость является величиной обратной удельному сопротивлению и вычисляется из выражения

. (1.4)

Величина измеряется в единицах См/м или в кратных единицах.

Удельное сопротивление (и проводимость) металлов и сплавов зависит от температуры . При высоких температурах (выше 200С) для большинства металлов и сплавов справедлива линейная зависимость:

, (1.5)

где коэффициент зависит от металла. Значения удельного электрического сопротивления некоторых чистых металлов приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Электросопротивление чистых металлов при 22о С

 

Металл Атомный номер ρ, мкОм.см
22о С
Li 9,32
Na 9,21
K 7,19
Cu 1,70
Ag 1,61
Au 2,20
Mg* 4,30
Ca 3,6
Ti* 43,1
Zr* 42,4
V 19,9
Cr 12,9
Mo 5,33
Fe 9,8
Co 5,80
Ir 5,07
Ni 7,04
Pd 10,55
Pt 10,42
Al 2,74
Pb 21,0

*- металлы с некубической кристаллической решеткой

 

Перенос электричества в металле (электрический ток) осуществляется электронами. В опыте Стьюарта и Толмэна соленоид, вращающийся с большой скоростью и подключенный к баллистическому гальванометру, внезапно останавливался. При этом гальванометр регистрировал импульс тока, возникновение которого обусловлено тем, что электроны в металле продолжают некоторое время двигаться по инерции. Доказательством того, что носителями электрического тока являются электроны, служит также и эффект Холла.

Все металлы реагируют на внесение их в магнитное поле. Для всех них можно говорить о магнитной поляризации, т.е. о возникновении (или изменении) их магнитных моментов. Мерой магнитной поляризации служит намагниченность , которая определяется как магнитный момент единицы объёма и количественно равна

, (1.6)

где - некоторый объём вещества. Намагниченность, как и магнитное поле, измеряется в амперах на метр (А/м).

Намагниченность меняется под действием поля , что можно выразить как

(1.7)

где коэффициент может сложным образом зависеть от , температуры, давления и других факторов. Коэффициент называют магнитной восприимчивостью и в зависимости от его величины и знака (при комнатной температуре) различают три основных типа магнетиков: диа-, пара- и ферромагнетики. Первые два относят к слабомагнитным веществам, а последний тип магнетиков относят к сильномагнитным веществам, к которым относятся также антиферромагнетики, ферримагнетики и др. В табл. 1.2 приведены примеры основных типов магнетиков.

Таблица 1.2

Свойства различных магнетиков

Магнетик Значение магнитной восприимчивости Примеры веществ Взаимодействие с полем
Диамагнетик -10-5 Водород, азот, инертные газы, золото, ртуть, кремний, фосфор дерево, мрамор, вода Слабое
Парамагнетик +10-2…+10-5 Кислород, литий, алюминий, натрий платина, калий, молибден, цезий, рубидий, осмий, вольфрам, цирконий Слабое
Ферромагнетик +10… + 105 Железо, никель, кобальт, редкоземельные металлы, тербий, гадолиний, тулий, диспрозий, эрбий и их сплавы и соединения Сильное

 

Диамагнетизм проявляется во всех веществах независимо от их состояния (газообразное, жидкое, твёрдое), но чаще всего диамагнитные явления перекрываются более сильными (парамагнетизмом, ферромагнетизмом). Диамагнетик во внешнем магнитном поле намагничивается противоположно полю. Данное явление связано с прецессией орбит электронов (прецессия Лармора) вокруг направления внешнего поля. В однородном магнитном поле диамагнетик стремится занять положение, перпендикулярное направлению магнитного поля, а в неоднородном поле - выталкивается из него. Данное явление применяется, например, для создания магнитных опор без трения, где в качестве материала элементов осей, помещаемых в неоднородное магнитное поле, используется поликристаллический или пиролитический углерод . Диамагнетизмом обладают сверхпроводники.

Парамагнетизм присущ газообразным, жидким и твёрдым веществам, которые имеют нескомпенсированный магнитный момент атомов. Без внешнего поля магнитные моменты хаотически разориентированы (т.е. намагниченность материала ). При наложении поля моменты ориентируются по его направлению, и парамагнетик приобретает намагниченность. При комнатных температурах парамагнитные вещества невозможно довести до насыщения, поскольку тепловое движение атомов нарушает ориентацию магнитных моментов вдоль поля.

В дальнейшем подробно будут рассматриваться свойства ферромагнитных веществ (материалов) и изделий из них, т.к. именно они являются главными объектами магнитного контроля и распространенными объектами вихретокового контроля (например, сплав железа с углеродом – сталь). К наиболее распространенным ферромагнитным металлам относятся железо, никель и кобальт, а также сплавы этих металлов между собой и с другими веществами. Как будет показано, при нагревании ферромагнетики при некоторой температуре теряют ферромагнитные свойства и превращаются в парамагнетики (магнитное превращение).

Электрические и магнитные поля в вакууме и веществе

Электрическое поле

Электромагнитное взаимодействие между частицами зависит от их электрического заряда. Заряд имеет следующие свойства:

- существуют положительные и отрицательные заряды;

- в любой электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов не изменяется (закон сохранения электрического заряда);

- величина заряда не зависит от системы отсчета (т.е. не зависит от его движения).

Всякий электрический заряд изменяет свойства окружающего пространства – создает электрическое поле. Взаимодействие между зарядами осуществляется через это поле. Сила, действующая на неподвижный точечный пробный заряд , может быть представлена как

, (1.8)

где вектор - напряженность электрического поля в данной точке. Вектор можно определить как силу, действующую на единичный положительный неподвижный заряд.

Из опыта (закон Кулона) следует, что поле неподвижного точечного заряда на расстоянии от него можно представить как

, (1.9)

где - электрическая постоянная; – орт радиус-вектора , проведенного из центра поля, в котором расположен заряд , до интересующей нас точки. Коэффициент = 9 109 м/Ф, заряд измеряется в кулонах (Кл), напряженность поля – в вольтах на метр (В/м).

Напряженность поля системы точечных неподвижных зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, которые создавали бы каждый из зарядов в отдельности (принцип суперпозиции).

Электрическое поле подчиняется двум важнейшим законам, называемым теоремами, теореме Гаусса и теореме о циркуляции вектора .

Теорема Гаусса. Поток вектора сквозь произвольную поверхность равен

. (1.10)

 

Эта величина алгебраическая и зависит не только от конфигурации электрического поля, но и от выбора направления нормали. В случае замкнутых поверхностей принято нормаль брать наружу (внешняя нормаль). Теорема Гаусса гласит, что поток вектора сквозь замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов внутри этой поверхности, деленной на :

. (1.11)

В дифференциальной форме теорема Гаусса может быть записана как

, (1.12)

где - объемная плотность заряда в объеме, ограниченном замкнутой поверхностью . В тех точках поля, где дивергенция положительна, мы имеем источники поля (положительные заряды), а в тех точках, где она отрицательна – стоки (отрицательные заряды). Линии вектора выходят из источников и заканчиваются в местах стоков.

Циркуляция вектора . Если в качестве пробного заряда, переносимого из точки 1 заданного поля в точку 2, взять единичный положительный заряд, то элементарная работа сил поля на пути от точки 1 к точке 2 равна . Этот интеграл по замкнутому пути называют циркуляцией вектора . В любом электростатическом поле циркуляция вектора равна нулю, т.е.

. (1.13)

Поле, обладающее свойством (1.13) называют потенциальным. Из (1.13) следует, что линии электростатического поля не могут быть замкнутыми. Линии поля начинаются на положительных зарядах и кончаются на отрицательных или уходят в бесконечность.

Потенциал. Тот факт, что работа сил по перемещению единичного заряда не зависит от пути, позволяет утверждать, что в электрическом поле существует некоторая скалярная функция координат , убыль которой равна

, (1.14)

 

где и - значения функции в точках 1 и 2. Величина называется потенциалом поля. Потенциал – это величина, численно равная потенциальной энергии единичного положительного заряда в данной точке поля. Потенциал определяется с точностью до произвольной аддитивной постоянной. Поскольку все электрические явления зависят только от напряженности электрического поля, которая определяется разностью потенциалов в соседних точках поля, то эта постоянная не имеет значения. Потенциал измеряют в вольтах (В).

Учитывая, что элементарная убыль потенциала есть

, (1.15)

можно к примеру найти потенциал неподвижного точечного заряда:

, где учтено, что проекция вектора на вектор , а значит и на вектор равна приращению модуля вектора , т.е. . Опуская аддитивную константу (т.е. полагая, что потенциал на бесконечности равен нулю), получим потенциал поля точечного заряда в виде

. (1.16)

Связь потенциала и вектора . Электрическое поле может быть полностью описано векторной функцией . Зная её, можно найти силу, действующую на заряд в любой точке поля, вычислить работу сил поля по перемещению заряда и т.д. А зная потенциал можно восстановить и само поле . Пусть перемещение параллельно оси X, тогда , где - орт оси X, - приращение координаты x. В этом случае , где - проекция вектора на орт . Учитывая (1.15), получим .

Рассуждая аналогично, можно получить выражения для проекций и . По проекциям определяется и сам вектор :

. (1.17)

Величина в скобках есть градиент потенциала . В более компактной форме (1.17) записывают в виде:

, (1.18)

т.е. напряженность поля равна со знаком минус градиенту потенциала.

Для описания электрического поля используется понятие эквипотенциальной поверхности – поверхности, во всех точках которой потенциал имеет одно и то же значение. Вектор направлен в каждой точке по нормали к эквипотенциальной поверхности в сторону уменьшения потенциала. По густоте эквипотенциальных поверхностей можно наглядно судить о значении напряженности поля в разных точках. Там, где эти поверхности расположены гуще, там напряженность поля больше.

Электрическое поле в веществе. Истинное электрическое поле в веществе (микрополе) меняется весьма резко как во времени, так и в пространстве (в различных точках атомов, между атомами и т.д.). Найти его величину весьма сложно. Под электрическим полем в веществе (макрополе) понимается пространственно усредненное микрополе. Усреднение проводится по объему, содержащему большое число атомов, но имеющему размеры во много раз меньше, чем те расстояния, на которых макрополе меняется заметно.

При внесении любого вещества в электрическое поле в веществе происходит смещение положительных и отрицательных зарядов (ядер и электронов), что в свою очередь приводит к частичному разделению этих зарядов. В тех или иных местах вещества появляются нескомпенсированные заряды различного знака. Явление называют электростатической индукцией, а появившиеся заряды называют индуцированными. Результирующее электрическое поле определяется как суперпозиция внешнего поля и поля индуцированных зарядов. Распределение индуцированных зарядов и создаваемое ими поле зависят от свойств самого вещества.

Поместим металлический проводник во внешнее электростатическое поле или сообщим ему какой-нибудь заряд. В обоих случаях на все заряды проводника будет действовать электрическое поле, в результате чего все отрицательные заряды (электроны) сместятся против поля. Такое перемещение зарядов (ток) будет продолжаться до тех пор (это происходит в течение малой доли секунды), пока не установится определенное распределение зарядов, при котором электрическое поле во всех точках внутри проводника обратится в нуль. Таким образом, в статическом случае электрическое поле внутри проводника отсутствует ( = 0).

Избыточные заряды появляются лишь на поверхности проводника с некоторой плотностью , вообще говоря, различной в разных точках его поверхности. Заметим, что избыточный поверхностный заряд находится в очень тонком поверхностном слое (его толщина около одного-двух межатомных расстояний).

Отсутствие поля внутри проводника означает согласно (1.18), что потенциал в проводнике одинаков во всех его точках, т.е. любой проводник в электростатическом поле представляет собой эквипотенциальную область и его поверхность является эквипотенциальной.

Избыточный заряд распределяется на проводнике с полостью так же, как и на сплошном – на его наружной поверхности. На этом основана электростатическая защита – экранирование тел (людей, приборов и т.д.) от электростатических полей. При этом сплошной проводник-оболочка может быть заменен достаточно густой металлической сеткой.

Электроёмкость. Конденсаторы. Опыт показывает, что между зарядом и потенциалом уединенного проводника существует прямая пропорциональность:

. (1.19)

Коэффициент назвали электроёмкостью.

Если проводник не уединен, то его ёмкость будет существенно увеличиваться при приближении к нему других тел, вследствие появления на них индуцированных зарядов в поле проводника. Система проводников обладает ёмкостью, значительно большей, чем уединенный проводник. Такую систему называют конденсатором. Простейший конденсатор состоит из двух проводников (обкладок), расположенных на малом расстоянии друг от друга. Заряды на обкладках должны быть одинаковыми по модулю и противоположны по знаку. В отличие от ёмкости уединённого проводника под ёмкостью конденсатора понимают отношение заряда конденсатора к разности потенциалов между обкладками (эту разность называют напряжением):

. (1.20)

Ёмкость уединённого проводника и ёмкость конденсатора измеряют в фарадах. Зарядом конденсатора называют заряд на положительно заряженной обкладке.

Диэлектрики. Поляризация. Диэлектриками (изоляторами) называют вещества, которые практически не проводят электрический ток. В отличие от проводников в диэлектриках нет зарядов, способных перемещаться на значительные расстояния. Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул, либо из заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решётки. Сами молекулы могут быть полярными и неполярными. У полярных молекул центр объемного отрицательного заряда сдвинут относительно центра положительного и такие молекулы обладают собственным электрическим дипольным моментом . У неполярных молекул центры зарядов совпадают и .

При внесении даже нейтрального диэлектрика во внешнее электрическое поле происходят изменения как в поле, так и в самом диэлектрике (на диэлектрик начинает действовать сила, увеличивается ёмкость конденсатора при заполнении его диэлектриком и т.д.).

Под действием поля происходит поляризация диэлектрика. В диэлектрике из неполярных молекул в пределах каждой молекулы происходит смещение зарядов – положительных по полю, отрицательных против поля. В диэлектрике из полярных молекул происходит ориентация их дипольных моментов по полю. Однако независимо от механизма поляризации в этом процессе положительные заряды смещаются по полю, а отрицательные - против поля. В результате поляризации на поверхности диэлектрика и в его объёме появляются нескомпенсированные заряды.

Чтобы охарактеризовать поляризацию в конкретной точке диэлектрика, выделяют физически бесконечно малый объем , содержащий эту точку, находят векторную сумму дипольных моментов молекул в этом объёме и определяют поляризованность диэлектрика:

. (1.21)

Единицей поляризованности служит кулон на квадратный метр (Кл/м2).

Как показывает опыт, дл



©2015- 2017 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.