Диэлектрике возникают

Энергия пульсирует с частотой, равной удвоенной частоте тока. Часть этой энергии вместе с электромаг-. нитной волной отрывается от контура и распространяется в диэлектрике, окружающем цепь, со скоростью

Движущиеся заряды также создают электрическое поле. Это поле в диэлектрике, окружающем проводники с током, описывается теми же уравнениями, что и электрическое поле в пространстве, не занятом зарядами (р = 0), т. е.

Различие между электростатическим полем и электрическим полем в окружающем проводники с током диэлектрике заключается в том, что в первом из них поверхности проводящих тел являются эквипотенциальными, во втором — нет. Это видно из 21.1 для двухпроводной линии. 21.1, а соответствует электростатическому полю линии при холостом ходе, 21.1, б — электрическому полю нагруженной линии. В первом случае поле нормально к эквипотенциальной поверхности провода, во втором, из-за падения напряжения вдоль провода,

Если внести металлический проводник во внешнее электрическое поле, то под действием сил поля свободные электроны начнут перемещаться по проводнику. На одной части поверхности проводника сосэедоточатся отрицательные заряды, на противоположной — положительные. Напряженность электрического поля внутри проводника станет равной нулю. Поверхность проводника будет границей электростатического поля, которое локализовано в диэлектрике, окружающем проводник.

Эти волны, распространяясь в диэлектрике, окружающем источник, несут с собой определенную энергию. Величина излучаемой энергии зависит от величины и частоты тока, от конфигурации цепи и от свойств диэлектрика, окружающего излучающую цепь. Для промышленной частоты f = 50 гц излучаемая мощность настолько незначительна, что ею пренебрегают. Мощность излучения необходимо учитывать, начиная от частоты / = 105 гц и выше (т. е. частот, которые применяются в радиотехнике).

от контура и распространяется в диэлектрике, окружающем цепь, со скоростью v = у----. Контур // можно видоизменить так, как показано на 4-2, бив. Следовательно, прямолинейный провод длиной /, по которому п ютекает переменный ток, может излучать электромагнитные волны. Такой провод представляет собой простейшую антенну. Пусть длина провода / в цепи, изображенной на эис. 4-3, значительно меньше длины волны К. Тогда можно считать, что синусоидальный ток i = Im sin (co^ -J- %)> Щ отекающий по проводу, по всей его длине имеет одну i ту же величину. Кроме того, учитьвая, что сечение провода мало по сравнению с его длиной, можно считать провод линейным. Назовем такой провод с током элементарны!* вибратором.

Изложенное в предыдущих двух главах со всей ясностью показывает, что любое электромагнитное явление, происходящее в системе заряженных тел и контуров с токами, т. е. в любом электротехническом устройстве, определяется не только физическими процессами на самих заряженных телах и в проводниках, образующих контуры с токами, но и не в меньшей мере физическими процессами в диэлектрике, окружающем эти тела и проводники. Даже можно сказгть больше — именно электромагнитное поле в диэлектрике, окружающее заряженные тела и проводники с токами, является носителем энергии системы, которая может передаваться от одной части системы к другой. Электрическое поле заряженных тел целиком находится вне этих тел — в окружающем их диэлектрике. Магнитное и электрическое поля электрических токов, протекающих по проводникам, существуют и вне проводников и внутри

Ток смещения при переменном напряжении возникает не только в конденсаторах, т. е. в устройствах, построенных специально для использования их емкости, но также и в диэлектрике, окружающем любые элементы цепи переменного тока, поскольку между этими элементами существует переменное напряжение, т. е. переменное электрической поле. Так, например, ток смещения возникает в диэлектрике между проводами линии передачи, если напряжение между проводами изменяется во времени (см. 1-19). Вследствие этого переменный ток в проводах линии неодинаков в разных местах линии, даже если удельная проводимость диэлектрика равна нулю, так как вдоль всей линии ток ответвляется от проводов через диэлектрик в виде тока смещения. Очевидно, поэтому провода линии по отношению друг к другу, так же как и конденсатор, обладают емкостью. Сказанное справедливо для любого устройства при переменном токе. Так, например, в реостате при переменном токе появляется переменное падение напряжения, т. е. в проволоке реостата и в окружающем его диэлектрике возникает переменное электрическое поле. Поэтому между отдельными участками проволоки реостата через диэлектрик проходят токи смещения, вследствие чего, принципиально говоря, ток в разных местах проволоки реостата имеет различные значения. Очевидно, поэтому отдельные участки реостата облгдают по отношению друг к другу электрической емкостью.

Соответственно фазовая скорость при этом принимает максимальное значение vmaK = со/р = 1/J/LC и равна скорости распространение электромагнитных волн в диэлектрике, окружающем провода линии (см. ч. IV).

При прохождении постоянного тока по проводнику между отдельными точками в его объеме, а также на его поверхности и в окружающей среде обнаруживается разность электрических потенциалов. Следовательно, как внутри проводника, так и в диэлектрике, окружающем проводник, существует электрическое поле.

Электрическое поле в диэлектрике, окружающем проводники с постоянными токами. Как было указано в § 7-2, если разомкнутые проводники подключены к зажимам источника э. д. с., эти проводники представляют собой носители постоянных зарядов и поле между ними электростатическое. Когда цепь замкнута и ток течет, электрическое поле в диэлектрике, окружающем проводник с током, по своим свойствам также не отличается от электростатического. Для этого поля в любой его точке, поскольку объемных зарядов в диэлектрике нет, можно написать

При повышенных частотах диполи не успевают ориентироваться вдоль направления поля и поляризация будет неполной. Кроме того, работа диэлектрика в переменных электрических полях, сопровождаемых периодической поляризацией, из-за сил «вязкого трения» сопровождается потерями — преобразованием части энергии внешнего источника в тепло, рассеиваемое в объеме диэлектрика. Удельная мощность потерь в единице объема определяется как РП!С — А/Е„, .где / — частота, Ет — амплитуда напряженности поля; k — параметр, характеризующий диэлектрик. Мощность потерь в диэлектрике принято характеризовать «тангенсом угла потерь» tgS. Потери в диэлектрике возникают также в результате движения свободных зарядов, имеющихся в реальном диэлектрике, т. е. вследствие протекания через диэлектрик тока утечки, который при невысоких температурах обычно незначителен. Ток утечки является током проводимости диэлектрика и протекает как при постоянном, так и при переменном напряжении. Поскольку плотность тока проводимости /л — а?,„ sin ш, где а — удельная проводимость диэлектрика, а плотность тока смещения JD = — dD/dt — ?.a(uEmcos(ot, то соотношение амплитуд плотностей токов будет /п//0--0/8а(о. Так, для твердого диэлектрика с параметрами: о = 10" 12 1/Ом-м; е,= 5,5; еа~48,7 • 10 ~"12 Ф/м при г.о = 2т1-50 1/с имеем ,7n/JD = 6,6 • 10~3.

В качестве другого примера рассмотрим линию передачи ( 1-19). При переменном напряжении между проводами в диэлектрике возникают токи смещения. Проведем замкнутую поверх-

Действительно, предположим, что токи проводимости и переноса отсутствуют и имеются только токи смещения. Но токи смещения в диэлектрике возникают только при изменении во времени электрического поля. Следовательно, уравнение

диэлектрике возникают токи электрического смещения. Если охватим одну из обкладок, например обкладку А, замкнутой поверхностью s, то во время, когда по проводнику, пересекающему эту поверхность, протекает к обкладке А ток проводимости tnp, в диэлектрике образуется ток смещения, проходящий сквозь поверхность s изнутри наружу и в точности равный току /пр в проводнике. Линии тока смещения в диэлектрике являются продолжением линий тока в проводнике. Действительно, электрическое поле направлено от положительной обкладки Л к отрицательной В и при этом возрастаег. Следовательно, линии тока смещения направлены также от положительной обкладки к отрицательной. Электрический ток, протекающий II проводнике к положительной обкладке в виде тока проводимости, продолжает протекать в диэлектрике как ток смещения и далее от отрицательной обкладки в проводнике — вновь в виде тока проводимости. Таким образом, цепь электрического тока является замкнутой.

Электротермомеханический пробой является разновидностью электротеплового и наблюдается в хрупких диэлектриках, например в керамиках, содержащих поры. Вблизи ионизированных газовых включений образуются перегретые области диэлектрика. Их тепловое расширение больше, чем у менее нагретых областей. В результате в диэлектрике возникают механические напряжения, которые приводят к образованию в хрупком материале микротрещин и в конечном итоге к механическому разрушению.

Если изменяется магнитный поток, проходящий через металл, то в металле индуктируются вихревые токи. При изменении магнитного потока в диэлектрике возникают токи смещения (гл. 3).

При высоких напряжениях потери в диэлектрике возникают ьследствие ионизации газовых включений внутри диэлектрика, особенно интенсивно происходящей при высоких частотах.

В качестве другого примера рассмотрим линию передачи ( 1.19). При переменном напряжении между проводами в диэлектрике возникают токи смещения. Проведем замкнутую поверхность s так, чтобы она охватила часть одного провода линии. Токи в проводе — входящий в поверхность и выходящий из нее — различаются между собой на значение тока смещения в диэлектрике, проходящего сквозь поверхность s. Поэтому пере-ис' " менный ток в проводе в один и тот же момент времени

Действительно, предположим, что токи проводимости и переноса отсутствуют и имеются только токи смещения. Но токи смещения в диэлектрике возникают только при изменении во времени электрического поля. Следовательно, уравнение

+ ~--ч электрические заряды, переносимые от источника ./_J.j_L_A.A_-' ЭДС к обкладкам конденсатора по соединяющим их А гЛ \ h А/,м проводникам, собираются на этих обкладках. По мере увеличения заряда на обкладках возрастает электрическое поле между ними, и в диэлектрике возникают токи электрического смещения. Если охва-

Можно легко показать, что линии индукции остаются непрерывными и при неоднородной поляризации, когда в диэлектрике возникают объемные поляризационные заряды. Действительно, согласно (47.3) объемная плотность зарядов в диэлектрике равна