asyan.org
добавить свой файл
1
План - конспект уроку з електротехніки групи СВ - I
Тема: Потік вектора напруженості через поверхню. Вектор електричного зміщення. Теорема Гауса. Провідники і діелектрики в електричному полі. Поляризація речовин. Електрична ємність. Ємність плоского конденсатора і блоку конденсаторів. Типи конденсаторів та їх застосування.

Мета: - Сформулювати теорему Гауса. Пояснити, що таке потік вектора напруженості через поверхню. Дати поняття провідників та діелектриків в електричному полі, ємності плоского конденсатора, типів конденсаторів.

- Розвивати пошукову, пізнавальну активність учнів, логічне мислення, уяву. Виховувати самостійність, наполегливість, впевненість у собі, інтерес до предмету.

План уроку:

  1. Організаційна частина.

  2. Повторення.

III. Вивчення нового матеріалу.

  1. Потік вектора напруженості через поверхню. Вектор електричного зміщення. Теорема Гауса.

  2. Провідники і діелектрики в електричному полі. Поляризація речовин.

  3. Електрична ємність. Ємність плоского конденсатора і блоку конденсаторів. Типи конденсаторів та їх застосування.

IV. Підсумок: засвоєння знань.

V. Д.з.

Тип уроку: Урок вивчення нового матеріалу

Структура уроку

  1. Організаційна частина.

Вчитель вітається з класом, перевіряє готовність класу до уроку, відмічає відсутніх, записує на дошці тему і повідомляє мету уроку.

II. Повторення. Численні дослідження, проведені наприкінці XVIII століття французьким фізиком Ш. Кулоном, показали, що сила взаємодії заряджених тіл пропорціональна величині кожного з зарядів і обернено пропорціональна квадратові відстані між ними (закон Кулона).

III. Вивчення нового матеріалу.

1. Потік вектора напруженості через поверхню. Вектор електричного зміщення. Теорема Гауса.

Заповнення вакуумного чи повітряного простору між пластинами діелектриком дає змогу зменшити результуючу напруженість між ними. Результуюча напруженість складається з різниці напруженості , спричиненої різницею потенціалів у вакуумі, і напруженості внутріш­ньої — вектора електростатичної індукції або вектора електричного змі­щення, що виникає завдяки деформації орбіт електронів у діелектрику. Чим краще поляризується діелектрик, тим більша і менша : .

Важливою характеристикою електричного поля є скалярна величина — потік вектора напруженості через поверхню S. Для досить малої по­верхні , яку можна вважати плоскою і в межах якої напруженість E незмінна, елементарний потік дорівнює скалярному добутку на , де — вектор, перпендикулярний площині , модуль якого дорівнює : (1)

тут а — кут між і перпендикуляром до .

Потік через замкнену площу S — це сума елементарних потоків , або, оскільки E скрізь однакова, то: . (2)

Німецький вчений К. Гаусс довів, що для будь-якої системи заряджених тіл, охоплених будь-якою замкненою поверхнею в однорідному та ізотропному середовищі, потік вектора напруженості дорівнює відношенню сумарного заряду до діелектричної проникності середовища : . (3)

2. Провідники і діелектрики в електричному полі. Поляризація речовин.

Залежно від кількості вільних електронів, речовини поділяються на провідники та діелектрики (ізолятори). Наявність вільних електронів зу­мовлено атомарною структурою речовини.


а

У провіднику електрони мають змогу пе­реходити у валентну зону, яка перекриваєть­ся зоною провідності. В останній існують не­зайняті рівні, куди переходять електрони і де вони стають вільними. Ці електрони під дією зовнішнього електричного поля починають ру­хатись у напрямку більшого потенціалу, утво­рюючи струм провідності (рис. 1, а). Вини­кає електричний струм — напрямлений рух електричних зарядів.

У діелектриках між валентною зоною та зоною провідності існує значний енергетич­ний поріг, який (за звичайних умов) елект­рони не долають. Тому і струм в них прак­тично не проходить (рис 1, б).

У діелектрику, що не зазнає дії електричного поля, атоми перебу­вають у стані хаотичного теплового руху з невеликими швидкостями. Якщо такий діелектрик зазнає дії постійного електричного поля, то в ньому виникають специфічні процеси. Головним з них треба вва­жати його поляризацію.

Взагалі поляризація діелектриків буває трьох типів: електронна, іонна та орієнтаційна. її характер цілком залежить від мікрострукту­ри діелектрика.

Найбільш розповсюдженою є електронна поляризація твердого діелектрика, що має місце в такому розповсюдженому електротехніч­ному пристрої, як конденсатор. Розглянемо докладніше це явище.

Ц
Рис. 2. Нейтральний (а) та поляризований (б) атоми.

(г) Поляризований діелектрик

ей тип поляризації характерний для діелектриків, які склада­ються з нейтральних атомів. Як видно з рис. 1.5, а, в нейтральному атомі центр орбіти електрона та центр ядра збігаються.

На рис. 1.5, б показано поляризований атом, орбіта якого має форму еліпса, бо додатно наснажений позитивний електрод притягує до себе електрон. Зона дії, що створюється електроном, значно біль­ша від зони дії, що створюється ядром. Центр орбіти електрона не збі­гається з центром ядра. Такий атом уже не є нейтральним, він має два полюси і називається диполем. Увесь діелектрик складається тепер з таких диполів.

У результаті поляризації з боків діелектрика, що звернені до електродів, виникають заряди різних знаків: на боці, зверненому до позитивного електрода,— від'ємний заряд, а на боці, зверненому до негативного електрода,— додатний (рис. 1.г).

3. Електрична ємність. Ємність плоского конденсатора і блоку конденсаторів. Типи конденсаторів та їх застосування.

Властивість накопичувати та зберігати електричні заряди, тобто властивість електричної ємності, мають спеціальні пристрої, що на­зиваються конденсаторами. Будова конденсатора нескладна. Два провідники будь-якої форми, розділені діелектриком, являють собою найпростіший конденсатор.

Конденсатори бувають різної конструкції: з твердим, рідинним і газовим діелектриками. Найбільш простим є плоский конденсатор з твердим діелектриком (рис.3). Однакові за значенням і протилежні за знаком електричні заряди накопичу­ються на обкладках, або електродах, конденсатора. Між ними виникає різниця потенціалів, а в товщі діелектрика утво­рюється електричне поле.

Заряджання конденсатора здійсню­ється приєднанням його електродів до двох точок електричної мережі, між яки­ми існує напруга.

Цілком зрозуміло, що кількість елект­ричних зарядів, накопичуваних конден­сатором, пропорційна напрузі джерела енергії:

, (4)

де С — стала для даного конденсатора величина, що називається ємністю конденсатора.

З (4) маємо (4.1.). Звідси , при

тобто ємність конденсатора чисельно дорівнює кількості електрики, яку йому треба передати, щоб підвищити напругу на обкладках на 1 В.

Одиницею ємності в СІ є фарад (Ф). Похідні: мікрофарад 1мкФ = 10-6 Ф, нанофарад 1нФ = 10-9 Ф; пікофарад – 1пФ = 10-12 Ф.

Ємність плоского конденсатора: (5),

де відносна діелектрична проникність діелектрика, електрична стала, площа однієї з обкладок конденсатора, товщина діелектрика.

Щоб дістати потрібну ємність, кілька конденсаторів з'єднують у батарею послідовно, паралельно чи мішаним способом.

Розглянемо послідовне з'єднання двох конденсаторів. , тобто при послідовному з'єднанні двох конденсаторів ємність батареї дорівнює добутку ємності окремих конденсаторів, поділеному на суму їх ємностей.

Розглянемо паралельне з'єднання двох конденсаторів., тобто при паралельному з'єднанні двох конденсаторів ємність батареї дорівнює сумі ємностей окремих конденсаторів.

Існують такі види конденсаторів: постійної і змінної ємності, плоскі і циліндричні, паперові, електролітичні, керамічні.

Застосування конденсаторів.

Крім застосування в слабкострумовій техніці (радіотехніці, телефонії), конденсатори використовуються також і в техніці сильних струмів (статичні конденсатори для поліпшення коефіцієнта потужності).

IV. Підсумок: засвоєння знань.

Задача № 1. Визначити ємність плоского конденсатора, що складається з двох металевих пластин площею 500 см2 кожна, розділених слюдою завтовшки 0,5 мм.

Розвязок: Відповідно до (5) знаходимо

Задача № 2. Ємність конденсатора дорівнює 5 мкФ, його заряд становить 0,001 Кл, Визначити напругу на обкладках конденсатора.

Розвязок: На підставі (4.1.) маємо

V. Домашнє завдання: Вивчити конспект.