Диэлектрическое и резистивное состояние вещества.

          Диэлектрические вещества- это такие вещества, в которых возможно накопление, сохранение и распространение электрической энергии.

Объемная концентрация энергии (плотность энергии) определяется выражением                                                                                             (8.1)

 где e₀ - диэлектрическая постоянная, e₀ = 8.85 10^-12 ф/м, e - диэлектрическая проницаемость материала, Е - напряженность электрического поля. 

Резистивные вещества- такие вещества, в которых электрическая энергия расходуется, т.е. преобразуется в другой вид энергии, а именно в тепловую энергию.

 Удельные потери энергии при действии постоянного напряжения определяются выражением

                                                                                      (8.2)

где r - удельное электрическое сопротивление, t - длительность действия напряжения.

Абсолютной разницы между диэлектрическим и резистивным состояниями нет, потому что в зависимости от условий одно и то же вещество может быть и диэлектриком и резистором. Основное условие, разграничивающее поведение вещества на резистивное и диэлектрическое основано на понятии максвелловского времени диэлектрической релаксации:

t=e₀×e×r ,                                                                           (8.3)

Если на материал действует импульсное напряжение с длительностью импульса t , то при t<< t, вещество можно считать диэлектриком, а в случае обратного неравенства материал можно считать проводящим или резистивным. Для случая переменного напряжения следует сравнивать t и 1/w, где w - частота переменного напряжения, т.е. если t >> 1/w - это диэлектрик, а при t << 1/w - проводник.

    Физический смысл максвелловского времени диэлектрической релаксации можно понять взяв плоский конденсатор  с веществом, имеющим соответствующие e,r  (Рис.8.1). Тогда можно, учитывая геометрические параметры конденсатора, найти емкость конденсатора, считая его идеальным диэлектриком и сопротивление постоянному току, считая его проводником .

                                                                                   (8.4.)

Собственно говоря рис.8.1 и изображает простейшую схему замещения реального конденсатора на идеальные конденсатор и сопротивление. Другое название этой схемы - параллельная схема замещения.

Простейшая схема замещения диэлектрика состоит из параллельного соединения емкости и сопротивления.

Из курса ТОЭ известно, что для схемы, изображенной на рис.8 постоянная времени разряда емкости С через сопротивление R при отключенном источнике составляет RC. Используя (8.4.) можно получить RC=t=e₀×e×r. Отсюда следует, что физический смысл времени релаксации состоит в разряде собственной емкости через собственное сопротивление.

   

Рис. 8.1. Простейшая схема замещения диэлектрика.   

          Рассмотрим некоторые примеры. Хорошо очищенное от примесей трансформаторное масло обладает удельным сопротивлением до r = 10¹² Ом·м, диэлектрической проницаемостью e= 2.2, откуда t=e₀×e×r» 20 сек.  Сравнивая с 1/w»3·10^-3 сек. для переменного напряжения частотой 50 Гц, можно заключить, что t >> 1/w, т.е. трансформаторное масло для этих условий является хорошим диэлектриком. Однако, как отсюда видно, для применения в устройствах постоянного напряжения трансформаторное масло малопригодно. А для загрязненного масла значение rможет упасть до двух-трех порядков по величине, что приведет к t£0.1 сек., что сравнимо с 1/w. Ясно, что такое масло непригодно и для устройств переменного напряжения.

 В качестве второго примера рассмотрим воду. В обыденной жизни обычная вода является проводником и это не требует доказательств. Однако для импульсных устройств типа емкостных накопителей энергии вода является наиболее подходящим диэлектриком. Действительно, у хорошо очищенной воды r »10⁶ Ом·м, и при e» 80, значение t превышает 500 мксек. Значение W для импульсов длительностью 1 мксек и менее максимально в сравнению с аналогичным параметром для других диэлектриков. Ясно, что вода может считаться хорошим диэлектриком для этого случая. Обычная водопроводная вода имеет r »10-100 Ом×м , следовательно она является проводником практически для любых импульсов напряжения.  

Для ряда случаев схема замещения диэлектрика может представляться в виде последовательного соединения емкости и небольшого сопротивления r. При этом значения емкостей при параллельном и последовательном представлениях близки друг другу, тогда как сопротивления сильно различаются. Для хороших диэлектриков R>>r.

  При поступательном движении твердого тела все его точки описывают одинаковые траектории и имеют в каждый момент времени одинаковые скорости и ускорения. Поэтому поступательное движение тела описывается основным уравнением динамики точки: ma=F (1) Если тело в начальный момент покоится, а сумма приложенных к нему сил остается постоянной, то тело будет двигаться прямолинейно вдоль направления равнодействующей силы по закону: х=x0 + 0.5at2 (2) В настоящей работе поступательное движение изучается на приборе, схематически изображенном на рисунке. T2' T1' T2 m T1 M M x Mg (M+m)g Тела с массами M и (M+m) подвешены к концам нити, переброшенной через легкий блок, который может вращаться вокруг закрепленной горизонтальной оси. На каждый из грузов действует сила тяжести и сила натяжения нити. Применим к каждому телу уравнение (1), переписав его в скалярной форме с учетом указанного на рисунке положительного направления оси ОХ: Ma1=Mg - T1 (3) (M+m)a2=(M+m)g - T2 (4) Дополним уравнения (3) и (4) уравнением вращения блока. Направим ось OZ вдоль оси вращения таким образом, чтобы ее положительное направление соответствовало вращению по часовой стрелке, т.е. за рисунок. Имеем: IB=-rT1' + rT2' - N (5) где В -проекция углового ускорения на ось OZ; I -момент инерции блока относительно той же оси; N -проекция момента сил трения в оси блока на ось OZ, а r -радиус блока. Предполагая, что нить невесома, можно записать: Т1=Т1' , T2=T2' (6) Если считать, что нить нерастяжима и не проскальзывает по блоку, получаем еще два соотношения, связывающие ускорения: a2=-a1=a1 (7) a2=Br (8) Решая систему (3)-(8), находим проекцию ускорения: a=mg/(2M+m+I/r2) - N/r(2M+m+I/r2) (9) В лабораторной установке масса блока мала по сравнению с массой грузов и поэтому в (9) можно пренебречь членом I/r2 и пользоваться приближенной формулой: a=mg/(2M+m) - N/r(2M+m) (10) Выражение (10) может быть использовано для определения g. При этом a вычисляется по формуле (2): a=2(x-x0)/t2 (11) Для исключения N из формулы (10) следует определить значения а для двух различных перегрузов с массами m1 и m2 и решить систему уравнений: W1=m1g/(2M+m1) - N/r(2M+m1) , W2=m2g/(2M+m2) - N/r(2M+m2) ; Тогда для определения g получим формулу: g=[2M(W1-W2) + m1W1 - m2W2]/(m1-m2).