Question 42. Equilibre des charges sur un conducteur. Frais de surface. Exemples de champs à proximité d'un conducteur. Conducteur dans un champ électrique externe.

Conducteur - Ce solide, qui contient « électrons libres», se déplaçant dans le corps.

Les porteurs de charge dans un conducteur sont capables de se déplacer sous l'influence de forces arbitrairement faibles. Par conséquent, l’équilibre des charges sur un conducteur ne peut être observé que lorsque conditions suivantes:

2) Le vecteur à la surface du conducteur est dirigé normalement à chaque point de la surface du conducteur.

En effet, si la condition 1 n'était pas remplie, alors les porteurs mobiles de charges électriques présents dans chaque conducteur commenceraient à se déplacer sous l'influence de forces de champ (un courant électrique naîtrait dans le conducteur) et l'équilibre serait perturbé.

Depuis 1 il s'ensuit que puisque

Question 43. Capacité électrique d'un conducteur solitaire. Types de condensateurs, leur capacité électrique et autres caractéristiques.

Capacité électrique d'un conducteur solitaire – une caractéristique d'un conducteur, indiquant la capacité du conducteur à accumuler une charge électrique.

La capacité d'un conducteur dépend de sa taille et de sa forme, mais ne dépend pas du matériau, état d'agrégation, forme et taille des cavités à l'intérieur du conducteur. Cela est dû au fait que les frais excédentaires sont répartis entre surface extérieure conducteur. La capacité ne dépend pas non plus de la charge du conducteur ou de son potentiel.

/* Capacité électrique du ballon

Il s'ensuit qu'une sphère solitaire située dans le vide et ayant un rayon aurait une capacité de 1 F R=C/(4pe 0)»9×10 6 km, soit environ 1400 fois supérieur au rayon Terre (capacité électrique de la Terre AVEC" 0,7 mF). Farad est donc très grande valeur, donc en pratique ils sont utilisés sous-multiples- millifarad (mF), microfarad (uF), nanofarad (nF), picofarad (pF). */

Types de condensateurs, leur capacité électrique et autres caractéristiques.

Condensateur - un système composé de deux conducteurs (plaques) séparés par une couche diélectrique, généralement le condensateur est chargé symétriquement sur les plaques

Question 44. Énergie des condensateurs. Densité énergétique champ électrique.

Condensateur est un système de corps chargés et possède de l'énergie.
Énergie de n'importe quel condensateur :

où C est la capacité du condensateur
q - charge du condensateur
U - tension sur les plaques du condensateur
L'énergie du condensateur est égale au travail effectué par le champ électrique lorsque les plaques du condensateur sont rapprochées,
ou égal au travail requis pour séparer les charges positives et négatives lors de la charge d'un condensateur.

Densité d'énergie du champ électrique.

1.2.Le concept de densité de charge

Pour simplifier les calculs mathématiques des champs électrostatiques, la structure discrète des charges est souvent négligée. On suppose que la charge est distribuée de manière continue et introduit la notion de densité de charge.

Considérons différents cas de répartition des charges.

1.La charge est répartie le long de la ligne. Qu'il y ait une charge dans une zone infinitésimale
. Entrons la valeur

. (1.5)

Ampleur appelée densité de charge linéaire. Son signification physique– tarif par unité de longueur.

2. La charge est répartie sur la surface. Introduisons la densité de charge de surface :

. (1.6)

Sa signification physique est la charge par unité de surface.

3. La charge est répartie dans tout le volume. Présentons densité apparente charge:

. (1.7)

Sa signification physique est une charge concentrée dans une unité de volume.

Une charge concentrée sur une partie infinitésimale d'une ligne, d'une surface ou dans un volume infinitésimal peut être considérée comme une charge ponctuelle. L'intensité du champ créé par celui-ci est déterminée par la formule :

. (1.8)

Pour trouver l'intensité du champ créé par l'ensemble du corps chargé, vous devez appliquer le principe de superposition de champ :

. (1.9)

Dans ce cas, en règle générale, le problème se réduit au calcul de l'intégrale.

1.3. Application du principe de superposition au calcul des champs électrostatiques. Champ électrostatique sur l'axe d'un anneau chargé

Énoncé du problème . Soit un anneau mince de rayon R, chargé d'une densité de charge linéaire τ . Il est nécessaire de calculer l'intensité du champ électrique en un point arbitraire UN, situé sur l'axe de l'anneau chargé à distance x du plan de l'anneau (Fig.).

Choisissons un élément infinitésimal de la longueur de l'anneau dl; charge qq, situé sur cet élément est égal à qq= τ· dl. Cette charge crée à un point UN intensité du champ électrique
. Le module du vecteur tension est égal à :

. (1.10)

Selon le principe de superposition de champ, l'intensité du champ électrique créé par l'ensemble du corps chargé est égale à la somme vectorielle de tous les vecteurs.
:

. (1.11)

Développons les vecteurs
en composants : perpendiculaire à l'axe de l'anneau (
) et des anneaux parallèles à l'axe (
).

. (1.12)

La somme vectorielle des composantes perpendiculaires est nulle :
, Alors
. En remplaçant la somme par une intégrale, on obtient :

. (1.13)

Du triangle (Fig. 1.2) il résulte :

=
. (1.14)

Remplaçons l'expression (1.14) dans la formule (1.13) et retirons les valeurs constantes en dehors du signe intégral, nous obtenons :

. (1.15)

Parce que
, Que

. (1.16)

Considérant que
, la formule (1.16) peut être représentée comme :

. (1.17)

1.4.Description géométrique du champ électrique. Flux vectoriel de tension

Pour décrire mathématiquement le champ électrique, vous devez indiquer l'amplitude et la direction du vecteur en chaque point. , c'est-à-dire définir la fonction vectorielle
.

Il existe une manière visuelle (géométrique) de décrire un champ à l'aide de lignes vectorielles (lignes électriques) (Fig. 13.).

Les lignes de tension sont tracées comme suit :

AVEC Il y a une règle : lignes vectorielles d'intensité de champ électrique, créé par le système les charges stationnaires, peuvent commencer ou se terminer uniquement sur des charges ou aller à l'infini.

La figure 1.4 montre l'image champ électrostatique charge ponctuelle utilisant des lignes vectorielles , et sur la figure 1.5 est une image du champ électrostatique du dipôle .

1.5. Flux vectoriel d'intensité de champ électrostatique

P. Plaçons une aire infinitésimale dS dans le champ électrique (Fig. 1.6). - Ici vecteur unitaire normal sur le site. Vecteur d'intensité de champ électrique formes avec la normale un certain angle α. Projection vectorielle

à la direction normale est égal à E n = E·cos α . Flux vectoriel à travers une zone infinitésimale est appelé

, (1.18)

produit scalaire Le flux vectoriel de l'intensité du champ électrique est une quantité algébrique ; son signe dépend de l'orientation mutuelle des vecteurs .

Et Vecteur de flux à travers une surface arbitraire S

. (1.20)

la valeur finie est déterminée par l'intégrale :

. (1.21)

Si la surface est fermée, l'intégrale est marquée d'un cercle :

Pour les surfaces fermées, la normale est prise vers l'extérieur (Fig. 1.7). Le flux du vecteur tension a une signification géométrique claire : il est numériquement égal au nombre de lignes du vecteur , en passant à travers une surface arbitraire.

à travers la surface

Dans le cas d'une répartition à l'équilibre, les charges du conducteur sont réparties dans une fine couche superficielle. Ainsi, par exemple, si un conducteur reçoit une charge négative, alors en raison de la présence de forces répulsives entre les éléments de cette charge, elles seront dispersées sur toute la surface du conducteur.

Examen à l'aide d'une plaque de test Afin d'étudier expérimentalement la répartition des charges sur la surface extérieure d'un conducteur, une plaque de test est utilisée. Cette plaque est si petite que lorsqu'elle entre en contact avec le conducteur, elle peut être considérée comme faisant partie de la surface du conducteur. Si cette plaque est appliquée sur un conducteur chargé, alors une partie de la charge ($\triangle q$) y sera transférée et l'ampleur de cette charge sera égale à la charge qui se trouvait à la surface du conducteur dans la zone superficie égale

plaques ($\triangle S$).

Alors la valeur est égale à :

\[\sigma=\frac(\triangle q)(\triangle S)(1)\]

est appelée densité de répartition des charges de surface en un point donné. En déchargeant une plaque d'essai à travers un électromètre, on peut juger de la valeur de la densité de charge superficielle. Ainsi, par exemple, si vous chargez une boule conductrice, vous pouvez voir, en utilisant la méthode ci-dessus, que dans un état d'équilibre, la densité de charge superficielle sur la boule est la même en tous ses points. Autrement dit, la charge est répartie uniformément sur la surface de la balle. Pour les chefs d'orchestre plus forme complexe

la répartition des charges est plus complexe.

Densité superficielle du conducteur La surface de tout conducteur est équipotentielle, mais cas général différents points. La densité de répartition des charges de surface dépend de la courbure de la surface. Dans la section consacrée à la description de l'état des conducteurs dans un champ électrostatique, nous avons établi que l'intensité du champ près de la surface du conducteur est perpendiculaire à la surface du conducteur en tout point et est égale en ampleur :

où $(\varepsilon )_0$ est la constante électrique, $\varepsilon $ est la constante diélectrique du milieu. Ainsi,

\[\sigma=E\varepsilon (\varepsilon )_0\ \left(3\right).\]

Plus la courbure de la surface est grande, plus l’intensité du champ est grande. Par conséquent, la densité de charge sur les saillies est particulièrement élevée. Près des dépressions du conducteur, les surfaces équipotentielles sont moins fréquentes. Par conséquent, l’intensité du champ et la densité de charge à ces endroits sont plus faibles. La densité de charge à un potentiel conducteur donné est déterminée par la courbure de la surface. Elle augmente avec la convexité et diminue avec la concavité. En particulier haute densité charge sur les bords des conducteurs. Ainsi, l’intensité du champ à la pointe peut être si élevée qu’une ionisation des molécules de gaz qui entourent le conducteur peut se produire. Ions gazeux signe opposé Les charges (par rapport à la charge du conducteur) sont attirées vers le conducteur, neutralisant sa charge. Les ions du même signe sont repoussés du conducteur, « entraînant » avec eux les molécules de gaz neutre. Ce phénomène est appelé vent électrique. La charge du conducteur diminue à la suite du processus de neutralisation ; il semble s'écouler de la pointe. Ce phénomène est appelé sortie de charge de la pointe.

Nous avons déjà dit que lorsqu'on introduit un conducteur dans un champ électrique, une séparation se produit charges positives(noyaux) et négatifs (électrons). Ce phénomène est appelé induction électrostatique. Les charges qui en résultent sont dites induites. Les charges induites créent un champ électrique supplémentaire.

Le domaine des charges induites est orienté vers direction opposée champ externe. Par conséquent, les charges qui s’accumulent sur le conducteur affaiblissent le champ extérieur.

La redistribution des charges se poursuit jusqu'à ce que les conditions d'équilibre des charges pour les conducteurs soient remplies. Tels que : intensité de champ nulle partout à l’intérieur du conducteur et circularité du vecteur intensité de la surface chargée du conducteur. S'il y a une cavité dans le conducteur, alors avec une répartition à l'équilibre de la charge induite, le champ à l'intérieur de la cavité est nul. La protection électrostatique est basée sur ce phénomène. S’ils souhaitent protéger un appareil des champs extérieurs, celui-ci est entouré d’un écran conducteur. Dans ce cas, le champ extérieur est compensé à l'intérieur de l'écran par des charges induites apparaissant à sa surface. Celui-ci n'est pas nécessairement continu, mais également sous la forme d'un maillage dense.

Affectation : Un fil infiniment long, chargé de densité linéaire $\tau$, est situé perpendiculairement à un plan conducteur infiniment grand. Distance du fil au plan $l$. Si nous continuons le fil jusqu'à ce qu'il coupe le plan, alors à l'intersection nous obtiendrons un certain point A. Écrivez une formule pour la dépendance de la densité superficielle $\sigma \left(r\right)\ $des charges induites sur l'avion sur la distance jusqu'au point A.

Considérons un point B de l'avion. Un fil chargé infiniment long au point B crée un champ électrostatique ; un plan conducteur se trouve dans le champ ; des charges induites se forment sur le plan, qui à leur tour créent un champ qui affaiblit le champ externe du fil. La composante normale du champ plan (charges induites) au point B sera égale à la composante normale du champ fil au même point si le système est en équilibre. Sélectionner sur le fil charge élémentaire($dq=\tau dx,\ où\ dx-élémentaire\ pièce\ fil\ $), on retrouve au point B la tension créée par cette charge ($dE$) :

Trouvons la composante normale de l'élément d'intensité du champ du filament au point B :

où $cos\alpha $ peut être exprimé comme :

Exprimons la distance $a$ en utilisant le théorème de Pythagore comme :

En remplaçant (1.3) et (1.4) dans (1.2), on obtient :

Trouvons l'intégrale de (1.5) où les limites d'intégration vont de $l\ (distance\ à\ l'extrémité\ la plus proche\ du fil\ depuis\ le\ plan)\ à\ \infty $ :

D’autre part, on sait que le champ d’un plan uniformément chargé est égal à :

Égalons (1.6) et (1.7) et exprimons la densité de charge de surface :

\[\frac(1)(2)\cdot \frac(\sigma)(\varepsilon (\varepsilon )_0)=\frac(\tau )(4\pi (\varepsilon )_0\varepsilon )\cdot \frac (1)((\left(r^2+x^2\right))^((1)/(2)))\to \sigma=\frac(\tau )(2\cdot \pi (\left (r^2+x^2\droite))^((1)/(2))).\]

Réponse : $\sigma=\frac(\tau )(2\cdot \pi (\left(r^2+x^2\right))^((1)/(2))).$

Exemple 2

Devoir : Calculez la densité de charge de surface créée près de la surface de la Terre si l'intensité du champ terrestre est de 200$\ \frac(V)(m)$.

Nous supposerons que la conductivité diélectrique de l'air est $\varepsilon =1$ comme celle du vide. Comme base pour résoudre le problème, nous prendrons la formule de calcul de la tension d'un conducteur chargé :

Exprimons la densité de charge de surface et obtenons :

\[\sigma=E(\varepsilon )_0\varepsilon \ \left(2.2\right),\]

où la constante électrique nous est connue et est égale en SI $(\varepsilon )_0=8.85\cdot (10)^(-12)\frac(F)(m).$

Faisons les calculs :

\[\sigma=200\cdot 8,85\cdot (10)^(-12)=1,77\cdot (10)^(-9)\frac(Cl)(m^2).\]

Réponse : La densité de distribution des charges de surface de la surface de la Terre est égale à 1,77 $\cdot (10)^(-9)\frac(C)(m^2)$.

informations générales

Nous vivons à l’ère des matériaux synthétisés. Depuis l'invention de la viscose et du nylon, industrie chimique nous fournit généreusement des tissus synthétiques et nous ne pouvons plus imaginer notre existence sans eux. En effet, grâce à eux, l'humanité a réussi à satisfaire pleinement le besoin de vêtements : des bas et collants résille aux pulls légers et chauds et aux belles et confortables vestes avec isolation synthétique. Les tissus synthétiques présentent de nombreux autres avantages, parmi lesquels, par exemple, la durabilité et les propriétés hydrofuges, ou la capacité de conserver leur forme longtemps après le repassage.

Malheureusement, il y a toujours de la place pour une mouche dans la pommade dans un tonneau de miel. Les matériaux synthétiques sont facilement électrisés, ce que nous ressentons littéralement avec notre propre peau. Chacun de nous, en enfilant un pull en fausse laine dans le noir, pouvait voir des étincelles et entendre le crépitement des décharges électriques.

Les médecins se méfient de cette propriété des matières synthétiques et recommandent l'utilisation, au moins pour les sous-vêtements, de produits à base de fibres naturelles avec quantité minimale synthétiques ajoutés.

Les technologues s'efforcent de créer des tissus aux propriétés antistatiques élevées en utilisant diverses manières réduction de l'électrification, mais la complication de la technologie entraîne une augmentation des coûts de production. Pour contrôler les propriétés antistatiques des polymères, diverses méthodes mesures de la densité de charge de surface, qui, avec des résistance électrique, sert de caractéristique des propriétés antistatiques.

Il convient de noter que les propriétés antistatiques des vêtements et des chaussures sont très importantes pour une certaine partie du nettoyage. locaux de production, par exemple, dans l'industrie microélectronique, où charges électrostatiques, accumulés lors du frottement des tissus ou des matériaux des chaussures sur leurs surfaces, peuvent détruire les microcircuits.

Extrêmement exigences élevées s'applique aux propriétés antistatiques des tissus d'habillement et des matériaux de chaussures industrie pétrolière et gazière- après tout, une petite étincelle suffit à déclencher une explosion ou un incendie dans de telles industries. parfois très conséquences graves V matériellement et même avec des pertes humaines.

Contexte historique

Le concept de densité de charge superficielle est directement lié au concept de charges électriques.

Même Charles Dufay, un scientifique français, a suggéré et prouvé en 1729 l'existence de charges de divers types, qu'il a appelées « verre » et « résine », car elles étaient obtenues en frottant le verre avec de la soie et de l'ambre (c'est-à-dire de la résine d'arbre). ) avec de la laine. Benjamin Franklin, qui a étudié les décharges de foudre et créé le paratonnerre, a présenté noms modernes ces frais sont des frais positifs (+) et négatifs (–).

La loi de l'interaction des charges électriques a été découverte par le scientifique français Charles Coulomb en 1785 ; aujourd'hui, en l'honneur de ses services rendus à la science, cette loi porte son nom. En toute honnêteté, il convient de noter que la même loi d'interaction a été découverte 11 ans plus tôt que Coulomb par le scientifique britannique Henry Cavendish, qui a utilisé les mêmes qu'il a développées pour des expériences. échelles de torsion, que Coulomb a ensuite appliqué indépendamment. Malheureusement, les travaux de Cavendish sur la loi de l'interaction des charges pendant longtemps(plus de cent ans) était inconnu. Les manuscrits de Cavendish ne furent publiés qu'en 1879.

L'étape suivante dans l'étude des charges et le calcul des champs électriques qu'elles créent a été franchie par le scientifique britannique James Clerk Maxwell, qui a combiné la loi de Coulomb et le principe de superposition de champ avec ses équations électrostatiques.

Densité de charge superficielle. Définition

La densité de charge de surface est quantité scalaire, caractérisant la charge par unité de surface d'un objet. Son illustration physique, en première approximation, peut être une charge sur un condensateur constitué de plaques conductrices plates d'une certaine surface. Étant donné que les charges peuvent être à la fois positives et négatives, leurs valeurs de densité de charge de surface peuvent être exprimées comme positives et valeurs négatives. Il est désigné lettre grecqueσ (prononcé sigma) et est calculé à l'aide de la formule :

σ = Q/S

σ = Q/S où Q est la charge de surface, S est la surface.

Dimension de la densité de charge de surface en Système international Les unités SI sont exprimées en coulombs par mètre carré(C/m²).

En plus de l'unité de base de densité de charge de surface, une unité multiple (C/cm2) est utilisée. Un autre système de mesure - SGSM - utilise l'unité abculon par mètre carré (abC/m²) et un abculon à unités multiples par mètre carré. centimètre carré(abC/cm²). 1 abcoulomb équivaut à 10 coulombs.

Dans les pays où ils ne sont pas utilisés unités métriques surface, la densité de charge de surface est mesurée en coulombs par pouce carré (C/in²) et en abcoulombs par pouce carré (abC/in²).

Densité de charge superficielle. Physique des phénomènes

La densité de charge de surface est utilisée pour effectuer des calculs physiques et techniques des champs électriques dans la conception et l'utilisation de divers appareils électroniques. installations expérimentales, appareils physiques et composants électroniques. En règle générale, ces installations et dispositifs comportent des électrodes planes constituées d'un matériau conducteur d'une surface suffisante. Puisque les charges dans un conducteur sont situées le long de sa surface, ses autres dimensions et effets de bord peuvent être négligés. Les calculs des champs électriques de tels objets sont effectués à l'aide des équations électrostatiques de Maxwell.

Densité de charge de surface de la Terre

Peu d'entre nous se souviennent du fait que nous vivons à la surface d'un condensateur géant dont l'une des plaques représente la surface de la Terre et la deuxième plaque est formée de couches ionisées de l'atmosphère.

C'est pourquoi la Terre se comporte comme un condensateur - elle accumule une charge électrique et dans ce condensateur, de temps en temps, des pannes de l'espace interélectrodes se produisent même lorsque la tension « de fonctionnement » est dépassée, mieux connue sous le nom de foudre. Le champ électrique terrestre est similaire au champ électrique d’un condensateur sphérique.

Comme tout condensateur, la Terre peut être caractérisée par une densité de charge superficielle dont la valeur, en général, peut varier. Par temps clair, la densité de charge de surface sur une zone particulière de la Terre correspond approximativement à la valeur moyenne de la planète. Valeurs locales de la densité de charge superficielle de la Terre dans les montagnes, sur les collines, dans les endroits où minerais métalliques et à processus électriques dans l'atmosphère peut différer des valeurs moyennes vers le haut.

Estimons sa valeur moyenne dans des conditions normales. Comme vous le savez, le rayon de la Terre est de 6 371 kilomètres.

Des études expérimentales du champ électrique terrestre et les calculs correspondants montrent que la Terre dans son ensemble a charge négative, dont la valeur moyenne est estimée à 500 000 coulombs. Cette charge est maintenue à peu près au même niveau en raison d'un certain nombre de processus dans l'atmosphère terrestre et dans l'espace proche.

D'après le célèbre cours scolaire formule calculer la superficie globe, elle est approximativement égale à 500 000 000 kilomètres carrés.

Par conséquent, la densité moyenne de charge à la surface de la Terre sera d'environ 1 10⁻⁹ C/m² ou 1 nC/m².

Tube kinéscope et oscilloscope

La télévision serait impossible sans l'avènement de dispositifs assurant la formation d'un faisceau étroit d'électrons avec haute densité charge - canons à électrons. Jusqu'à récemment, l'un des principaux éléments des téléviseurs et des moniteurs était un kinéscope ou, en d'autres termes, un tube cathodique (CRT). La production annuelle de tubes cathodiques s'est élevée à des centaines de millions d'unités dans un passé récent.

Un kinéscope est un dispositif à vide électronique conçu pour convertir des signaux électriques en signaux lumineux afin de former dynamiquement une image sur un écran recouvert de phosphore, qui peut être monochrome ou polychrome.

La conception du kinéscope comprend un canon à électrons, des systèmes de focalisation et de déviation, des anodes accélératrices et un écran sur lequel est appliquée une couche de phosphore. Dans les tubes cathodiques couleur (CELT), le nombre d'éléments créant des faisceaux d'électrons est triplé par le nombre de couleurs affichées - rouge, vert et bleu. Les écrans de tubes cathodiques couleur ont des masques à fentes ou à points qui empêchent les faisceaux d'électrons d'une couleur différente d'atteindre un phosphore spécifique.

Le revêtement de phosphore est une mosaïque de trois couches de phosphores avec une luminescence de couleurs différentes. Les éléments de mosaïque peuvent être situés dans le même plan ou aux sommets du triangle des éléments d'affichage.

Un canon à électrons se compose d'une cathode, d'une électrode de commande (modulateur), d'une électrode accélératrice et d'une ou plusieurs anodes. Lorsqu’il y a deux anodes ou plus, la première anode est appelée électrode de focalisation.

La cathode des tubes cathodiques est réalisée sous la forme d'un manchon creux, sur dehors dont le fond est recouvert d'une couche d'oxydes d'oxydes métaux alcalino-terreux, fournissant une émission thermique suffisante d'électrons lorsqu'il est chauffé à une température d'environ 800 °C grâce à un élément chauffant électriquement isolé de la cathode.

Le modulateur est un verre cylindrique dont le fond recouvre la cathode. Au centre du fond du verre se trouve un trou calibré d'environ 0,01 mm, appelé diaphragme porteur, à travers lequel passe le faisceau d'électrons.

Étant donné que le modulateur est situé à une courte distance de la cathode, son objectif et son fonctionnement sont similaires à ceux de la grille de commande dans un tube à vide.

L'électrode accélératrice et les anodes sont des cylindres creux, la dernière anode est également réalisée sous la forme d'un manchon avec un trou calibré au fond, appelé diaphragme de sortie. Ce système d'électrodes est conçu pour donner aux électrons la vitesse requise et former un petit point sur l'écran du kinéscope, représentant une lentille électrostatique. Ses paramètres dépendent de la géométrie de ces électrodes et des densités de charge de surface sur celles-ci, qui sont créées en leur appliquant des tensions appropriées par rapport à la cathode.

L'un des récemment largement utilisés appareils électroniquesétait un tube cathodique oscillographique (OCRT), conçu pour visualiser les signaux électriques en les affichant avec un faisceau d'électrons sur un écran monochrome fluorescent. La principale différence entre un tube d'oscilloscope et un kinéscope réside dans le principe de construction d'un système de déviation. Dans OELT, il est utilisé système électrostatique déviations car il offre de meilleures performances.

Un tube oscillographique est une ampoule en verre sous vide contenant un canon à électrons qui génère un faisceau étroit d'électrons à l'aide d'un système d'électrodes qui dévie le faisceau d'électrons et l'accélère, ainsi qu'un écran luminescent qui brille lorsqu'il est bombardé par des électrons accélérés.

Le système de déflexion est constitué de deux paires de plaques situées horizontalement et verticalement. La tension testée est appliquée aux plaques horizontales, également appelées plaques de déflexion verticale. Les plaques verticales - sinon les plaques de déflexion horizontales - sont alimentées par une tension en dents de scie provenant du générateur de balayage. Sous l'influence des tensions sur les plaques, une redistribution des charges se produit sur celles-ci et, en raison du champ électrique total qui en résulte (rappelez-vous le principe de superposition de champ !), les électrons volants s'écartent de leur trajectoire d'origine proportionnellement aux tensions appliquées. Le faisceau d'électrons dessine la forme du signal étudié sur l'écran du tube. En raison de la tension en dents de scie sur les plaques verticales, le faisceau d'électrons, en l'absence de signal sur les plaques horizontales, se déplace sur l'écran de gauche à droite, tout en traçant une ligne horizontale.

Si deux signaux différents sont appliqués aux plaques de déflexion verticale et horizontale, alors les figures dites de Lissajous peuvent être observées sur l'écran.

Puisque les deux paires de plaques forment condensateurs plats, dont les charges sont concentrées sur les plaques, pour calculer la conception du tube cathodique, on utilise la densité de charge superficielle, qui caractérise la sensibilité de la déviation électronique à la tension appliquée.

Condensateur électrolytique et ionistor

Calculs charge superficielle doit également être effectuée lors du développement de condensateurs. Dans l'électrotechnique moderne, l'ingénierie radio et l'électronique, les condensateurs sont largement utilisés différents types, utilisé pour séparer les circuits DC et DC CA et pour l'accumulation énergie électrique.

La fonction de stockage d'un condensateur dépend directement de la taille de sa capacité. Un condensateur typique est constitué de plaques conductrices appelées plaques de condensateur (généralement constituées de divers métaux), séparées par une couche diélectrique. Le diélectrique des condensateurs est solide, liquide ou substances gazeuses avoir de la hauteur constante diélectrique. Dans le cas le plus simple, le diélectrique est de l’air ordinaire.

On peut dire que la capacité de stockage d'un condensateur d'énergie électrique est directement proportionnelle à la densité de charge superficielle sur ses plaques ou à la surface des plaques, et inversement proportionnelle à la distance entre ses plaques.

Ainsi, il existe deux manières d'augmenter l'énergie accumulée par le condensateur : augmenter la surface des plaques et réduire l'écart entre elles.

Dans les condensateurs électrolytiques de grande capacité, on utilise comme diélectrique un mince film d'oxyde, déposé sur le métal de l'une des électrodes - l'anode - l'autre électrode est l'électrolyte. Caractéristique principale condensateurs électrolytiques est que, par rapport à d'autres types de condensateurs, ils ont une grande capacité avec des dimensions assez petites. De plus, ce sont des dispositifs de stockage d'électricité polaire, c'est-à-dire qu'ils doivent être inclus dans circuit électrique en respectant la polarité. La capacité des condensateurs électrolytiques peut atteindre des dizaines de milliers de microfarads ; à titre de comparaison : la capacité d'une bille métallique avec un rayon égal au rayon La Terre ne mesure que 700 microfarads.

En conséquence, la densité de charge superficielle de tels condensateurs sous tension peut atteindre des valeurs significatives.

Une autre façon d'augmenter la capacité d'un condensateur consiste à augmenter la densité de charge de surface en raison de la surface développée des électrodes, ce qui est obtenu en utilisant des matériaux à porosité accrue et en utilisant les propriétés d'une double couche électrique.

La mise en œuvre technique de ce principe est un ionistor (d'autres noms sont supercondensateur ou ultracondensateur), qui est un condensateur dont les « plaques » constituent une double couche électrique à l'interface entre l'électrode et l'électrolyte. Fonctionnellement, l'ionistor est un hybride d'un condensateur et source chimique actuel

Une double couche électrique interfaciale est une couche d'ions formée à la surface des particules à la suite de l'adsorption d'ions d'une solution ou de l'orientation de molécules polaires à la limite de phase. Les ions directement liés à la surface sont appelés déterminants du potentiel. La charge sur cette couche est équilibrée par la charge sur une deuxième couche d’ions appelés contre-ions.

Étant donné que l'épaisseur de la double couche électrique, c'est-à-dire la distance entre les « plaques » du condensateur, est extrêmement petite (la taille d'un ion), l'énergie stockée dans le supercondensateur est plus élevée par rapport aux condensateurs électrolytiques classiques du même type. taille. De plus, l'utilisation d'une double couche électrique au lieu d'un diélectrique classique permet d'augmenter considérablement la surface effective de l'électrode.

Alors que les ionistors typiques sont inférieurs aux batteries électrochimiques en termes de densité d'énergie stockée, les développements prometteurs de supercondensateurs utilisant la nanotechnologie les ont déjà égalés et même dépassés dans cet indicateur.

Par exemple, les supercondensateurs à aérogel développés par Ness Cap., Ltd avec des électrodes en mousse de carbone ont une capacité volumétrique 2 000 fois supérieure à la capacité volumétrique d'un condensateur électrolytique de même taille, et la puissance spécifique dépasse la puissance spécifique des batteries électrochimiques de 10 fois.

Aux autres qualités précieuses Les supercondensateurs, en tant que dispositifs de stockage d'énergie électrique, ont une faible résistance interne et un très faible courant de fuite. De plus, le supercondensateur a un temps de charge court, permet des courants de décharge élevés et un nombre pratiquement illimité de cycles de charge-décharge.

Les supercondensateurs sont utilisés pour le stockage à long terme de l’énergie électrique et pour alimenter des charges avec des courants élevés. Par exemple, lors de l'utilisation de l'énergie de freinage des voitures de course de Formule 1 avec récupération ultérieure de l'énergie accumulée dans les ionistors. Pour les voitures de course, où chaque gramme et chaque centimètre cube volume, les supercondensateurs avec une densité d’énergie stockée atteignant 4000 W/kg constituent une excellente alternative aux batteries lithium-ion. Les ionistors sont également devenus monnaie courante dans les voitures particulières, où ils sont utilisés pour alimenter les équipements pendant le fonctionnement du démarreur et pour atténuer les surtensions lors des charges de pointe.

Expérience. Détermination de la densité de charge superficielle de la tresse d'un câble coaxial

A titre d'exemple, considérons le calcul de la densité de charge superficielle sur une tresse câble coaxial.

Pour calculer la densité de charge superficielle accumulée par la tresse d'un câble coaxial, en tenant compte du fait que le noyau central et la tresse forment un condensateur cylindrique, nous utilisons la dépendance de la charge du condensateur à la tension appliquée :

Q = C U où Q est la charge en coulombs, C est la capacité en farads, U est la tension en volts.

Prenons un morceau de câble coaxial radiofréquence de petit diamètre (en même temps sa capacité est plus élevée et il est plus facile à mesurer) d'une longueur L égale à 10 mètres.

A l'aide d'un multimètre, mesurez la capacité d'un morceau de câble, et à l'aide d'un micromètre, mesurez le diamètre de la tresse d

Sk = 500 pF ; d = 5 mm = 0,005 m

Appliquons une tension calibrée de 10 volts au câble de la source d'alimentation, en reliant la tresse et l'âme centrale du câble aux bornes de la source.

A l'aide de la formule ci-dessus, on calcule la charge accumulée sur la tresse :

Q = Сk Uk = 500 10 = 5000 pC = 5 nC

En considérant la tresse d'un segment de câble comme un conducteur solide, on trouve son aire, calculée par formule bien connue surface du cylindre :

S = π d L = 3,14 0,005 10 = 0,157 m²

et calculez la densité de charge superficielle approximative de la tresse du câble :

σ = Q/S = 5/0,157 = 31,85 nC/m²

Naturellement, à mesure que la tension appliquée à la tresse et à l’âme centrale du câble coaxial augmente, la charge accumulée augmente également et, par conséquent, la densité de charge superficielle augmente également.