На каком свойстве проводников основана электростатическая защита
ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Электростатическое поле — эл.поле, образованное неподвижными электрическими зарядами.
Свободные электроны — электроны, способные свободно перемещаться внутри проводника ( в основном в металлах) под действием эл. поля;
Свободные электроны возникают при образовании металлов: электроны с внешних оболочек атомов утрачивают связи с ядрами и начинают принадлежать всему проводнику;
— участвуют в тепловом движении и могут свободно перемещаться по всему проводнику.
Электростатическое поле внутри проводника- внутри проводника электростатического поля нет ( Е = 0 ), что справедливо для заряженного проводника и для незаряженного проводника, внесенного во внешнее электростатическое поле.- т.к. существует явление электростатической индукции, т.е.
явление разделения зарядов в проводнике, внесенном в электростатическое поле ( Евнешнее) с образованием нового электростатического поля ( Евнутр.) внутри проводника.
Внутри проводника оба поля ( Евнешн. и Евнутр.) компенсируют друг друга, тогда внутри проводника
Е = 0.
Заряды можно разделить:
— металл. экран, внутри которого Е = 0, т.к. весь заряд будет сосредоточен на поверхности проводника.
Электрический заряд проводников- весь статический заряд проводника расположен на его поверхности, внутри проводника q = 0;
— справедливо для заряженных и незаряженных проводников в эл.поле.
Линии напряженности эл.поля в любой точке поверхности проводника перпендикулярны этой поверхности.
ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Внутри диэлектрика может существовать электрическое поле!
Электрические свойства нейтральных атомов и молекул:-положительный заряд ( ядро) сосредоточен в центре;
— отрицательный заряд — электронная оболочка;
считается, что из-за большой скорости движения электронов по орбитам центр распределения отрицательного заряда совпадает с центром атома.
Молекула— чаще всего — это система ионов с зарядами противоположных знаков ,
т.к. внешние электроны слабо связаны с ядрами и могут переходить к другим атомам.
Электрический диполь — молекула, в целом нейтральная , но центры распределения
противоположных по знаку зарядов разнесены; рассматривается, как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку,
находящихся внутри молекулы на некотором расстоянии друг от друга.
Существуют 2 вида диэлектриков ( различаются строением молекул) :
1) полярные — молекулы, у которых центры положительного и отрицательного зарядов
не совпадают ( спирты, вода и др.);
2)неполярные — атомы и молекулы, у которых центры распределения зарядов совпадают (инертные газы, кислород, водород, полиэтилен и др.).
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
— смещение положительного и отрицательного зарядов в противоположные стороны, т.е.ориентация молекул.
Поляризация полярных диэлектриковДиэлектрик вне эл.поля — в результате теплового движения электрические диполи ориентированы беспорядочно на поверхности и внутри диэлектрика.
q = 0 и Eвнутр = 0
Диэлектрик в однородном эл.поле — на диполи действуют силы, создают моменты сил и поворачивают диполи вдоль силовых линий эл.поля.
НО ориентация диполей — только частичная, т.к. мешает тепловое движение.
На поверхности диэлектрика возникают связанные заряды, а внутри диэлектрика заряды диполей компенсируют друг друга.
Таким образом, средний связанный заряд диэлектрика = 0.
Поляризация неполярных диэлектриков — тоже поляризуются в эл.поле: положительные и отрицательные заряды молекул смещаются,
центры распределения зарядов перестают совпадать (как диполи), на поверхности диэлектрика возникает связанный заряд, а внутри эл.поле лишь ослабляется.
Ослабление поля зависит от свойств диэлектрика.
Электростатическая защита — помещение приборов, чувствительных к электрическому полю, внутрь замкнутой проводящей оболочки для экранирования от внешнего электрического поля.
Это явление связано с тем, что на поверхности проводника (заряженного или незаряженного), помещённого во внешнее электрическое поле, заряды перераспределяются так (явление электрической индукции), что создаваемое ими внутри проводника поле полностью компенсирует внешнее.
Общий каталог эффектов
- Научно-технические эффекты (НТЭ)
Электростатическая защита с помощью металлических листов
Анимация
Описание
Электростатическая защита – защита приборов и оборудования, основанная на том, что напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю.
Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что любое вещество состоит из заряженных частиц. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля и внутреннего поля, создаваемого заряженными частицами вещества.
Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля и внутреннего поля создаваемого заряженными частицами вещества.
Вещество многообразно по своим электрическим свойствам. Наиболее широкие классы вещества составляют проводники и диэлектрики.
Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. Типичные проводники – металлы.
В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды (рисунок 1). Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.
Индукционные заряды создают свое собственное поле которое компенсирует внешнее поле во всем объеме проводника: (внутри проводника).
Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.
Электростатическая индукция
Рис.1
Все внутренние области проводника, внесенного в электрическое поле, остаются электронейтральными. Если удалить некоторый объем, выделенный внутри проводника, и образовать пустую полость, то электрическое поле внутри полости будет равно нулю. На этом основана электростатическая защита – чувствительные к электрическому полю приборы для исключения влияния поля помещают в металлические ящики (рисунок 2).
Электростатическая защита. Поле в металлической полости равно нулю
Рис.2
Так как поверхность проводника является эквипотенциальной, силовые линии у поверхности должны быть перпендикулярны к ней.
В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.
При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные нескомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.
Связанные заряды создают электрическое поле которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности внешнего поля. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика. В результате полное электрическое поле внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше внешнего поля .
Ключевые слова
- проводник
- электростатическая индукция
- принцип суперпозиции
- электростатика
- свободный заряд
- электрическое поле
- диэлектрик
- электростатическая защита
- напряженность
- электрический заряд
Области техники и экономики
- Технологии и техника зашиты от шума, вибрации, электрических и магнитных полей и излучений
Применение эффекта
В последнее время особенно важной стала защита человека от вредного влияния техногенных электромагнитных полей, а также влияния геопатогенных зон.
Везде, где необходима защита людей от воздействия электромагнитных полей, защита секретной информации и создание благоприятных условий для отдыха и работы актуально применение защитных средств.
В последнее время были изобретены и запатентованы магнезиально-шунгитовые сухие строительные смеси штукатурки и составы для устройства стяжек пола.
Этот способ защиты оказался гораздо технологичнее, чем ранее известные экранирование с помощью металлической сетки или металлических листов. Также доказано, что пребывание в помещении облицованном шунгитом в целом улучшает состояние здоровья человека, в то время как длительное пребывание в помещении экранированном, например, металлической сеткой может действовать на состояние человека негативно.
Экранирование также может использоваться для защиты секретной информации. При этом люди находящиеся в радионепрозрачных помещениях не пострадают, поскольку экранирования естественного электромагнитного поля земли, при использовании магнезиально-шунгитовых экранов, не происходит. В отличии металлических экранов, которые полностью изолировали человека от всех видов полей.
Использование шунгитовых смесей также актуально для защиты от действия геопатогенных зон. Это особенно актуально в свете того, что в настоящее время застройка ведется без учета такого фактора, как структура геологических неоднородностей. В результате чего многие дома просто непригодны для жизни, через какое-то время люди в них начинают беспричинно болеть.
Реализации эффекта
Защита создается достаточно просто: потенциал на экране задается от источника с низким выходным импедансом; этот потенциал должен быть практически таким же, что и потенциал экранируемого сигнала, т.е. сигнальное и экранное напряжения синфазны и равны. Защита имеет много положительных качеств: она уменьшает синфазную емкость (поскольку потенциалы сигнала и экрана одинаковы), улучшает подавление синфазной составляющей и уменьшает токи утечки в высокоомных схемах.
На рисунке 1 показан пример использования операционного усилителя с малым током смещения в неинвертирующем включении. Кабель в данном случае используется для экранирования от наводок из-за емкостной связи высокоимпедансного сигнального проводника и уменьшения токов утечки. Сигнал поступает от источника с очень высоким выходным сопротивлением (10 МОм), а сопротивление утечки кабеля (которое зависит от температуры, влажности и т.п.) составляет 1000 МОм.
Операционный усилитель с экранированным высоким входом
Рис.1
Литература
1. Р. Фейнман, Р. Лейтон. М. Сэндс/ Фейнмановские лекции по физике. Перевод с английского. Т.5.
2. Физическая энциклопедия / гл.ред. Прохоров А.М. — М.: Большая российская энциклопедия. 1994.
Внесение некоторого вещества в электрическое поле может привести к существенному его изменению; это обусловлено тем, что вещество составляют заряженные частицы. Если внешнее поле отсутствует, распределение частиц вещества происходит таким образом, что электрическое поле, которое они создают, в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. Если внешнее поле присутствует, заряженные частицы перераспределяются, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле E→ включает в себя (согласно принципу суперпозиции) внешнее поле E0→ и внутреннее поле E’→ которое создается заряженными частицами вещества.
Электрические свойства веществ обуславливают их многообразие. Самые широкие классы веществ – это проводники и диэлектрики.
Проводники
Отличительная черта проводников заключается в наличии свободных зарядов (электронов), принимающих участие в тепловом движении и способных осуществлять перемещение по всему объему проводника. Типичным примером проводников служат металлы.
Определение 1
Если внешнее поле отсутствует, то в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд будет компенсироваться положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, который внесен в электрическое поле, произойдет перераспределение свободных зарядов, следствием чего будет возникновение на поверхности проводника нескомпенсированных положительных и отрицательных зарядов (рис. 1.5.1). Описанный процесс носит название электростатической индукции, а возникающие на поверхности проводника заряды называют индукционными зарядами.
Индукционными зарядами создается свое собственное поле E’→ и оно компенсирует внешнее поле E0→ во всем объеме проводника: E→=E0→+E’→=0 (внутри проводника).
Определение 2
Полное электростатическое поле внутри проводника есть нуль, а потенциалы во всех точках являются одинаковыми и равными потенциалу на поверхности проводника.
Рисунок 1.5.1. Электростатическая индукция.
Все внутренние области проводника, который внесен в электрическое поле, остаются электронейтральными. Удаление некоторого объема, выделенного внутри проводника, а соответственно образование пустой полости, приведет к тому, что электрическое поле внутри полости станет равным нулю. На этом основана электростатическая защита – приборы, имеющие чувствительность к электрическому полю в целях исключения влияния поля помещают в металлические ящики (рис. 1.5.2).
Рисунок 1.5.2. Схема электростатической защиты. Поле в металлической полости равно нулю.
Поскольку поверхность проводника эквипотенциальна, необходимо, чтобы силовые линии у поверхности являлись перпендикуляром к ней.
Диэлектрики
Диэлектрики (изоляторы) отличаются от проводников тем, что не имеют свободных электрических зарядов. Диэлектрики включают в себя нейтральные атомы или молекулы. Заряженные частицы в нейтральном атоме являются связанными друг с другом и не имеют способности к перемещению под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.
Внесение диэлектрика во внешнее электрическое поле E0→ вызовет возникновение в нем некоторого перераспределения зарядов, которые входят в состав атомов или молекул. Следствием этого перераспределения является появление на поверхности диэлектрического образца избыточных нескомпенсированных связанных зарядов. Все заряженные частицы, которые образуют макроскопические связанные заряды, все так же входят в состав своих атомов.
Определение 3
Связанные заряды образуют электрическое поле E’→ направленное внутри диэлектрика противоположно вектору напряженности E0→ внешнего поля: данный процесс носит название поляризации диэлектрика.
Вследствие поляризации полное электрическое поле E→=E0→+E’→=0 внутри диэлектрика становится по модулю меньше внешнего поля E0→.
Определение 4
Диэлектрическая проницаемость вещества – это физическая величина, которая есть отношение модуля напряженности E0→ внешнего электрического поля, создаваемого в вакууме, к модулю напряженности E→ полного поля в однородном диэлектрике.
ε=E0E.
Известно несколько механизмов поляризации диэлектриков: основные — это ориентационная и электроннаяполяризации. Проявление этих механизмов происходит в основном при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.
Ориентационная или дипольная поляризация появляется, когда полярные диэлектрики состоят из молекул, у которых имеет место несовпадение центов распределения положительных и отрицательных зарядов. Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи.
Определение 5
Микроскопические электрические диполи – это нейтральная совокупность двух зарядов, являющихся равными по модулю и противоположными по знаку, расположенных на расстоянии друг от друга.
К примеру, дипольный момент имеет молекула воды, а также молекулы некоторых прочих диэлектриков (H2S, NO2 и т. д.).
Когда внешнее электрическое поле отсутствует, оси молекулярных диполей по причине теплового движения имеют хаотичную ориентацию, в связи с чем на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем является равным нулю.
Если внести диэлектрик во внешнее поле E0→, возникнет частичная ориентация молекулярных диполей. Вследствие этого поверхность диэлектрика получит нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле E’→ направленное навстречу внешнему полю E0→ (рис. 1.5.3).
Рисунок 1.5.3. Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика.
Поляризация полярных диэлектриков обладает сильной зависимостью от температуры, поскольку тепловое движение молекул выступает в качестве дезориентирующего фактора.
Электронный или упругий механизм возникает при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не имеют при отсутствии внешнего поля дипольного момента. Электрическое поле, воздействуя на молекулы неполярных диэлектриков, вызывает их деформацию – положительные заряды смещаются в направлении вектора E0→ а отрицательные – в противоположном направлении. В итоге каждая молекула становится электрическим диполем, ось которого имеет направление вдоль внешнего поля. Поверхность диэлектрика получает нескомпенсированные связанные заряды, которые создают свое поле E’→ имеющее направление навстречу внешнему полю E0→ Таким образом происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 1.5.4).
Деформация неполярных молекул, испытывающих влияние внешнего электрического поля, не имеет зависимости от теплового движения, т.е. поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры.
Пример 1
В качестве примера неполярной молекулы можно рассмотреть молекулу метана CH4, в которой четырехкратно ионизированный ион углерода C4– расположен в центре правильной пирамиды; в вершинах этой пирамиды — ионы водорода H+. Наложение внешнего электрического поля вызовет смещение иона углерода из центра пирамиды: в этом случае у молекулы возникнет дипольный момент, пропорциональный внешнему полю.
Рисунок 1.5.4. Поляризация неполярного диэлектрика.
В электрическом поле E’→ связанных зарядов, которое возникает при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, происходит его изменение по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля E0→. В электрических полях значительной силы указанная закономерность может нарушаться: в таком случае получают проявление различные нелинейные эффекты. Для полярных диэлектриков в сильных полях возможно наблюдать эффект насыщения.
Определение 6
Эффект насыщения – это выстраивание всех молекулярных диполей вдоль силовых линий.
Когда диэлектрики неполярны, сильное внешнее поле, которое можно сравнить по модулю с внутриатомным полем, имеет возможность значимо деформировать атомы или молекулы вещества с изменением их электрических свойств. Но подобные явления почти никогда не наблюдаются, поскольку для этого необходимы поля, имеющие напряженность порядка 1010–1012 В/м. При этом гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.
Определение 7
Электронная поляризация – это процесс поляризации, при котором непарные молекулы получают деформацию электронных оболочек.
Этот механизм универсален, так как деформация электронных оболочек под влиянием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика.
Определение 8
Ионная поляризация – это поляризация твердых кристаллических диэлектриков, следствием которой является смещение ионов различных знаков, составляющих кристаллическую решетку, в противоположных направлениях при воздействии внешнего поля. В результате смещения на гранях кристалла образуются связанные (нескомпенсированные) заряды.
Пример 2
В качестве примера описанного механизма, можно рассмотреть поляризацию кристалла NaCl, в котором ионы Na+ и Cl– составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. При отсутствии внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла NaCl является электронейтральной и не обладающей дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки сместятся в противоположных направлениях, т. е. кристалл подвергнется процессу поляризации.
Когда происходит процесс поляризации неоднородного диэлектрика, связанные заряды могут появиться не только на поверхности, но и в объеме диэлектрика. В таком случае электрическое поле E’→ связанных зарядов и полное поле E→ будут обладать сложной структурой, зависящей от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле _formula_ в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем E→ точно верно лишь, когда речь идет об однородном диэлектрике, который заполняет все пространство, где создано внешнее поле. В частности:
Определение 9
В случае, когда в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд Q, напряженность электрического поля E→ этого точечного заряда и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме. Запишем данное утверждение в виде формул:
E→=14πε0·Qεr3r→, φ=14πε0Qεr.