Влажная почва это диэлектрик

Классификация электромагнитных полей. Разграничение сред по признаку электропроводности

В заключительном вопросе лекции приводятся критерии классификации электромагнитных полей, рассматривается относительность разграничения сред по их электропроводности.

Критериями в классификации электромагнитных полей служит характер их зависимости от времени и величина тока проводимости.

В связи с этим, принято различать следующие виды электромагнитных полей:

1. Статические поля:

— характеризуются постоянством во времени, т.е. d/dt = 0;

— отсутствием тока проводимости Iпр = 0.

Положив эти значения в уравнения Максвелла, увидим, что система уравнений распадается на две полностью независимые системы:

а) Величины первой системы характеризуют электрическое поле:

(40 а)

б) Величины 2-й системы характеризуют магнитостатическое поле:

(40 б)

Таким образом, электростатические поля и магнитостатические поля можно рассматривать независимо друг от друга, в этом и заключается одна из их особенностей. Электростатическое поле порождается неподвижными электрическими зарядами, магнитостатическое поле порождается неподвижными постоянными магнитами.

2. Стационарные поля:

— характеризуются постоянством во времени, т.е. d/dt = 0;

— наличием тока проводимости.

В этом случае уравнения Максвелла приводятся к виду:

(41)

Нетрудно заметить, что в стационарных полях уже существует связь между электрическими и магнитными полями, которая осуществляется через плотность тока проводимости (поскольку ).

3. Квазистационарные поля:

— характеризуются тем, что d/dt ¹ 0, однако плотность тока проводимости намного больше плотности тока смещения, т.е.:

В этом случае уравнения Максвелла принимают вид:

(42)

К квазистационарным полям относят электромагнитные явления, протекающие достаточно медленно. Рассмотрим пример. Пусть в некотором объеме V распространяется переменный электромагнитный процесс (рис. 10).

Рис. 10 – Пояснение характера образования квазистационарного электромагнитного процесса

Предположим, что в некоторый момент времени t₁ в сечении S₁ существует некое электрическое поле характеризуемое как:

Очевидно, что на расстоянии L от S₁ (т.е. в сечении S₂) электрическое поле будет:

где: t — время прохождения электромагнитного процесса отрезка L, , с – скорость света.

Чтобы было равно , необходимо, чтобы wt = 0, или , или l >> L, где: – длина волны.

Вывод: Для рассматриваемого объема V можно говорить о почти постоянном (квазистационарном) характере электромагнитного поля только в том случае если выполняется условие:

l >> L (43)

Данное условие получило название условия квазистационарности. Следовательно, при любой скорости электромагнитного процесса система может быть квазистационарной, если ее размеры достаточно малы по отношению к длине волны.

4. Быстропеременные поля.

Это такие электромагнитные поля, которые полностью характеризуются системой уравнений Максвелла (30 или 31) без каких либо упрощений.

Перейдем теперь к рассмотрению вопроса о разграничении сред по признаку электропроводности. В лекции 4, в зависимости от значения принимаемой удельной проводимости s, среды разделялись на диэлектрики и проводники.

Другой мерой оценки явления электропроводности может служить плотность полного тока:

. (44)

Для идеального диэлектрика (s = 0): , тогда как для идеального проводника (s = ¥): . Следовательно, любую реальную среду можно считать диэлектриком если: .

Если же , то такую среду можно считать проводником.

Применим данный критерий к гармонически изменяющимся во времени полям. Для них:

. (45)

Среда характеризуется как диэлектрик если:

, или . (46 а)

Среда характеризуется как проводник если:

, или . (46 б)

Из неравенств (46) видно, что деление сред на проводники и диэлектрики по их электропроводимости относительно, т.к. критерий оценки включает в себя еще и частоту. Это означает, что одна и та же среда может вести себя как проводник на одних частотах, и как диэлектрик на других.

Частота, на которой выполняется условие ( ) носит название граничнойf_гр. Тогда, если рабочая частота f_раб >> f_гр, то среда считается диэлектриком. Если же f_раб . 10 -3 см/м. Тогда из условия: , определяем , где: — диэлектрическая проницаемость вакуума. Подставив значения в (46 а), получим: f_гр » 500 кГц.

Это означает, что:

— при f = 50 Гц – вода является проводником (хорошо известный из практики факт);

— при f = 1 ГГц – вода будет являться диэлектриком.

Таблица 1 –Удельные проводимости некоторых веществ

Проводники

Диэлектрики

Полупроводники
Материал σ, См/м Материал σ, См/м Материал σ, См/м Серебро Медь Алюминий Железо Свинец 6,14×10 7 5,65×10 7 3,54×10 7 1,0×10 7 0,48×10 7 Кварц Мрамор Слюда Стекло Дерево 2×10 -17

10 -9 Земля сухая Земля влажная Вода пресная Вода морская

Заключение

Итак, в ходе лекции сформулированы законы полного тока Ампера и электромагнитной индукции Фарадея, теоремы Остроградского-Гаусса для электрической и магнитной индукции; представлены их обобщения, сделанные Максвеллом, введено понятие тока смещения, дана физическая трактовка непрерывности магнитных силовых линий; раскрыт и обобщен физический смысл всех уравнений Максвелла, которые представлены в виде системы, рассмотрено фундаментальное свойство электрических зарядов – принцип их локального сохранения, введено уравнение непрерывности; сформулированы уравнения Максвелла для гармонических полей; приведены критерии классификации электромагнитных полей, показана относительность разграничения сред по их электропроводности.

Лекция разработана

Дата добавления: 2018-05-12 ; просмотров: 465 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Почему земля проводит ток и как работает заземление

Здравствуйте уважаемые подписчики и гости моего канала. Сегодня я хочу поговорить с вами о том, почему же земля проводит электрический ток, а главное почему работает заземление.

Что такое заземление и как оно работает

Итак, вы все прекрасно знаете, что заземление — это преднамеренное соединение металлических корпусов электроприборов или любой точки сети с заземляющим устройством. При этом в электротехнике благодаря заземлению обеспечивают защиту от опасного действия электрического тока путем снижения напряжения прикосновения до вполне безопасных уровней для человека.

Но возникает вполне логичный вопрос: «Так почему же земля является таким хорошим проводником?» Давайте разбираться.

За счет чего земля проводит ток

Безусловно, сама по себе земля — это не изолирующий материал, ведь в ней присутствуют различные жидкости и растворы солей, которые вполне способны проводить электрический ток.

Но такой проводник далеко не идеальный, а при этом все равно прекрасно работает и вот почему.

Бесконечно большое сечение равно нулевому сопротивлению

Давайте рассмотрим вот такую таблицу:

А теперь вспомним вот такую формулу расчета сопротивления:

Так вот, на самом деле нам абсолютно неважно какова длина и удельное сопротивление. Ведь площадь поперечного сечения земли настолько велика, что сопротивление можно считать равным нулю.

Читайте также: Фиолетовые лампы для выращивания рассады
Для понимания давайте проведем сравнительный анализ, и возьмем из таблицы выше серебро и такой материал как графит.

Как вы уже поняли из таблицы, серебро гораздо лучше проводит электричество (за счет меньшего удельного сопротивления), чем графит. Но если мы увеличим площадь поперечного сечения графита в миллион раз, то уже сопротивление графита будет существенно ниже сопротивление серебра. Точно такой же эффект срабатывает и в случае с землей.

Вроде с нулевым сопротивлением земли разобрались, и, казалось бы, все просто замечательно, но есть один очень важный момент. Для того, чтобы опасный потенциал уходил именно через заземление, а не стал причиной поражения человека электрическим током, оно должно соответствовать целому ряду требований.

Особенности заземляющего устройства

Итак, для того, чтобы заземление работало так как нужно, оно должно обладать минимальным переходным сопротивлением, а это в свою очередь достигается за счет следующих факторов:

Должна быть обеспечена большая площадь контакта в местах соединения контура. То есть сварочный шов на пластинах должен быть не менее 10 см.

Всю систему электродов нужно обязательно закапывать ниже линии промерзания грунта.

Общее сопротивление заземляющего контура не должно превышать 4 Ом. Если при замерах специальными приборами данное условие не выполняется, тогда необходимо увеличить заземляющий контур, до достижения требуемых параметров.

Вот так заземление выполняет свою защитную функцию по причине того, что земля обладает бесконечно большим сечением. А так как ток протекает только по пути наименьшего сопротивления, то даже в случае пробоя изоляции у электроприбора, корпус которого заземлен, ничего страшного не случится, так как опасный потенциал уйдет через заземляющий контур в землю.

Понравилась статья, тогда ставим палец вверх, пишем комментарии и подписываемся. Спасибо за внимание!

Источник

Глава вторая. Распространение земных радиоволн

§ 2.1. Электрические свойства различных видов поверхности Земли

В большинстве случаев приемная и передающая антенны или хотя бы одна из них размещаются на таких расстояниях от земной поверхности, при которых необходимо учитывать ее влияние на распространение радиоволн. При этом электрическое поле в месте приема можно представить как совокупность первичного поля, соответствующего полю вибратора в неограниченной однородной среде при отсутствии земной поверхности, и вторичного поля, обусловленного общим влиянием Земли на процессы распространения радиоволн.

Для определения величины напряженности электрического поля прежде всего необходимо знать электрические параметры — диэлектрическую проницаемость и проводимость различных видов земной поверхности. В табл. 2.1 указаны величины электрических параметров наиболее типичных видов земной поверхности в широком диапазоне волн. Эти величины определялись экспериментально по поглощению и отражению радиоволн различными поверхностями. Характерно, что для земной поверхности, однородной по глубине, во всем диапазоне радиоволн длиннее метровых параметры ε и γ не зависят от рабочей частоты, а на дециметровых и более коротких волнах ε уменьшается, а γ возрастает с повышением частоты.

Таблица 2.1. Электрические параметры различных видов земной поверхности

Читайте также: Когда кладут навоз под яблони
Большая часть (71%) земного шара представляет собой водную поверхность. Электрические свойства воды зависят от степени ее солености: с увеличением солености увеличивается удельная электрическая проводимость γ (на волнах длиннее 3 см).

Условно рассматривают морскую и пресную воду, хотя содержание солей в воде различных морей неодинаково. Вода пресных водоемов также содержит различные примеси. Поэтому в табл. 2.1 указаны пределы возможного изменения величины γ.

Электрические свойства почвы зависят от ее структуры, степени влажности, однородности, температуры. С увеличением влажности электропроводность почвы возрастает.

Земная поверхность неоднородна по глубине. Обычно ее можно представить как структуру, состоящую из верхнего слоя, имеющего толщину не больше нескольких метров, и нижнего, простирающегося до бесконечности. Соотношение диэлектрических проницаемостей и проводимостей слоев может быть различным. Так, если верхний слой более влажный, а ниже идет сухой грунт, то величины ε и γ в верхнем слое больше, чем в нижнем; при промерзании верхнего слоя его параметры ε и γ могут стать меньше, чем в нижнем слое.

Растительность, снег, лед, покрывающие почву, можно рассматривать как полупроводящие слои, лежащие на поверхности почвы.

Оценим соотношение плотности токов проводимости и токов смещения в различных видах земной поверхности. Используя формулу (1.38) и параметры ε и γ, указанные в табл. 2.1, видим, что для морской воды равенство плотности токов проводимости и токов смещения наступает при длине волны

Поэтому для радиоволн сантиметрового диапазона морскую воду можно считать диэлектриком.

Для влажной почвы условие 60γλ / ε = 1 выполняется на волне

Влажную почву можно рассматривать как диэлектрик для метровых и более коротких волн.

Таким образом, для волн сантиметрового диапазона все виды земной поверхности имеют свойства, близкие к свойствам идеального диэлектрика.

Коэффициенты поглощения α и фазовой скорости β при распространении радиоволн в морской воде и влажной почве, на низких частотах, как видно из формулы (1.57), возрастают с повышением частоты. На высоких частотах эти величины, согласно уравнениям (1.54) и (1.56), перестают изменяться с повышением частоты, как это имеет место в идеальном диэлектрике. Графики частотной зависимости α и υ_ф представлены на рис. 2.1 и 2.2.

Рис. 2.1. График частотной зависимости фазовой скорости радиоволн в различных видах земной поверхности: 1 — влажная почва; 2 — морская вода

Рис. 2.2. График частотной зависимости коэффициента поглощения радиоволн в различных видах земной поверхности: 1 — влажная почва; 2 — морская вода

Из графиков видно, что поглощение радиоволн в морской воде значительно превышает поглощение радиоволн во влажной почве.

В табл. 2.2. показано, на каком расстоянии происходит ослабление напряженности поля волны в 10 6 раз (на 120 дБ) при распространении радиоволн во влажной почве и морской воде.

Таблица 2.2. Расстояние, на котором напряженность поля ослабляется на 120 дБ

Из табл. 2.2 следует, что для осуществления радиосвязи через толщу земной поверхности или моря (например, для связи с подводными лодками, находящимися в погруженном состоянии) применимы только длинные и сверхдлинные волны.

Источник