Презентация Физические основы получения информации онлайн

Содержание слайда: Физические основы получения информации

Содержание слайда: ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ Электромагнитное поле − форма существования материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами. Между частицами и их полем точной границы нет. Однако электрический заряд имеет лишь частица материи, сосредоточенная в весьма малой области пространства, а вне этой области материя существует в виде электромагнитного поля и объемная плотность заряда равна нулю.

Содержание слайда: Электрическое поле. Характеристики материалов в электрическом поле Электрическое поле − электромагнитное поле, характеризуемое воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы.

Содержание слайда: Электрические заряды в электрическом поле Основной характеристикой электрического поля является вектор напряженности электрического поля Е , который может быть определен по силе F, с которой поле действует на заряд q, находящийся в поле. Направление вектора напряженности электрического поля Е совпадает с направлением силы F, действующей на положительный заряд

Содержание слайда: Единицей измерения напряженности электрического поля является вольт на метр (В/м). Энергетической характеристикой электрического поля является разность электрических потенциалов (электрическое напряжение) между двумя точками поля, численно равная работе, совершаемой силами электрического поля при перенесении положительного единичного заряда из одной точки в другую: Единицей измерения напряженности электрического поля является вольт на метр (В/м). Энергетической характеристикой электрического поля является разность электрических потенциалов (электрическое напряжение) между двумя точками поля, численно равная работе, совершаемой силами электрического поля при перенесении положительного единичного заряда из одной точки в другую: где А − работа по перемещению положительного заряда q из точки 1 в точку 2.

Содержание слайда: Единицей измерения разности электрических потенциалов (электрического напряжения) является вольт (В). Поскольку работа А обусловлена действием на заряд силы F , пропорциональной напряженности электрического поля E , то очевидна взаимосвязь электрического напряжения Единицей измерения разности электрических потенциалов (электрического напряжения) является вольт (В). Поскольку работа А обусловлена действием на заряд силы F , пропорциональной напряженности электрического поля E , то очевидна взаимосвязь электрического напряжения и напряженности электрического поля.

Содержание слайда: Основными электрическими свойствами материалов физических объектов, проявляющимися при взаимодействии объектов с электрическим полем, являются электрическая проводимость и поляризуемость. Оба свойства определяются наличием или отсутствием в материале свободных носителей электрических зарядов − электронов или ионов. Основными электрическими свойствами материалов физических объектов, проявляющимися при взаимодействии объектов с электрическим полем, являются электрическая проводимость и поляризуемость. Оба свойства определяются наличием или отсутствием в материале свободных носителей электрических зарядов − электронов или ионов. По электрическим свойствам вещества разделяют на проводники и изоляторы. Плотность электрического тока j в проводнике прямо пропорциональна напряженности электрического поля (закон Ома): j = σE, где σ − удельная электрическая проводимость

Содержание слайда: Величина, обратная удельной электрической проводимости: Величина, обратная удельной электрической проводимости: ρ = 1/σ, называется удельным электрическим сопротивлением. Единицей измерения электрической проводимости σ является сименс на метр (См/м), а удельного электрического сопротивления ρ − Ом-метр (Ом⋅м). Удельное электрическое сопротивление металлов и сплавов составляет 0,015…1,3 мкОм⋅м

Содержание слайда: Сопротивление металлов электрическому току связано с процессом рассеяния проводимости электронов в результате их столкновений с локальными неподвижными центрами − примесями, дефектами, а также тепловыми колебаниями решетки − фононами. Сопротивление металлов электрическому току связано с процессом рассеяния проводимости электронов в результате их столкновений с локальными неподвижными центрами − примесями, дефектами, а также тепловыми колебаниями решетки − фононами. Другим фактором, влияющим на сопротивление, является концентрация в материале свободных электронов, определяемая количеством свободных уровней энергии зонной диаграммы. Последнее объясняет тот факт, что одновалентные металлы (медь, серебро, золото, щелочные металлы) имеют наиболее высокую электропроводность

Содержание слайда: В проводниках не может существовать статического электрического поля, поскольку приложенное электрическое поле всегда компенсируется в проводящем объекте полем свободно перемещающихся зарядов. Электрическое поле существует только во время движения зарядов. В изоляторах же электростатическое поле может существовать длительное время. Наибольший интерес среди изоляторов представляют В проводниках не может существовать статического электрического поля, поскольку приложенное электрическое поле всегда компенсируется в проводящем объекте полем свободно перемещающихся зарядов. Электрическое поле существует только во время движения зарядов. В изоляторах же электростатическое поле может существовать длительное время. Наибольший интерес среди изоляторов представляют материалы, обладающие свойством ослаблять взаимодействие зарядов по сравнению с вакуумом, которые получили название диэлектриков.

Содержание слайда: Если в вакууме сила взаимодействия зарядов по модулю равна: Если в вакууме сила взаимодействия зарядов по модулю равна: в диэлектрике ее значение уменьшается в εr раз: 0 -электрическая постоянная εr − относительная диэлектрическая проницаемость, основная электрическая характеристика диэлектриков

Содержание слайда: Проводники обладают электропроводностью, диэлектрики - поляризуемостью, вещества при воздействии на которые электрического поля имеет место как протекание по ним электрического тока, так и их поляризация ( вещества можно рассматривать либо как плохие проводники, либо как несовершенные изоляторы) образуют класс полупроводников. Электрическая проводимость полупроводников мала (σ = 10–3…10–8 См/м), но все же значительно превышает проводимость хороших изоляторов. Проводимость полупроводника может быть значительно увеличена введением в кристаллическую решетку атомов других химических элементов. Проводники обладают электропроводностью, диэлектрики - поляризуемостью, вещества при воздействии на которые электрического поля имеет место как протекание по ним электрического тока, так и их поляризация ( вещества можно рассматривать либо как плохие проводники, либо как несовершенные изоляторы) образуют класс полупроводников. Электрическая проводимость полупроводников мала (σ = 10–3…10–8 См/м), но все же значительно превышает проводимость хороших изоляторов. Проводимость полупроводника может быть значительно увеличена введением в кристаллическую решетку атомов других химических элементов.

Содержание слайда: Магнитное поле. Характеристики материалов в магнитном поле Магнитное поле − электромагнитное поле, характеризуемое его воздействием на движущуюся электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и ее скорости. Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B, который может быть определен по силе F , с которой поле действует на заряд q, перемещающийся со скоростью V

Содержание слайда: Единица измерения магнитной индукции - тесла (Тл). Способность электрического тока возбуждать магнитное поле, пространственное распределение которого определяется силой тока и геометрической структурой контура, характеризуется векторной величиной магнитным моментом электрического тока М . Модуль вектора М в простейшем случае равен произведению тока на площадь контура, а направление совпадает с нормалью к плоскости контура: Единица измерения магнитной индукции - тесла (Тл). Способность электрического тока возбуждать магнитное поле, пространственное распределение которого определяется силой тока и геометрической структурой контура, характеризуется векторной величиной магнитным моментом электрического тока М . Модуль вектора М в простейшем случае равен произведению тока на площадь контура, а направление совпадает с нормалью к плоскости контура: Единица измерения магнитного момента является ампер- квадратный метр (А⋅м2).

Содержание слайда: Важное значение в теории электромагнетизма имеет величина Ф, называемая магнитным потоком. Важное значение в теории электромагнетизма имеет величина Ф, называемая магнитным потоком. Единицей измерения магнитного потока является вебер (Вб). Сила взаимодействия магнитного поля и движущегося заряда зависит от среды. Для характеристики магнитного свойства среды усиливать или ослаблять это взаимодействие, а также для характеристики магнитного эффекта тока вне зависимости от среды используются, соответственно, величины магнитной проницаемости материала μ и напряженности магнитного поля H : [А/м]

Содержание слайда: Задача Определить разность потенциалов между точками 1 и 2 в однородном электрическом поле напряженностью E=1 В/м при расстоянии между точками l = 5 см и расстоянии между проходящими через эти точки силовыми линиями a = 3 см

Содержание слайда: В однородном электрическом поле В однородном электрическом поле где α – угол между прямой, соединяющей точки, и направлением силовых линий. Нетрудно заметить, что Отсюда

Содержание слайда: Определить точку кривой первоначального намагничивания B(H), для которой имеет место равенство значений относительных нормальной μr и дифференциальной μd магнитных проницаемостей. Определить точку кривой первоначального намагничивания B(H), для которой имеет место равенство значений относительных нормальной μr и дифференциальной μd магнитных проницаемостей. Решение Относительные нормальная и дифференциальная магнитные проницаемости связаны с величинами магнитной индукции В и напряженности магнитного поля Н следующим образом:

Содержание слайда: Геометрический смысл нормальной магнитной проницаемости в некоторой точке кривой намагничивания заключается в равенстве ее значения тангенсу угла наклона прямой, соединяющей рассматриваемую Геометрический смысл нормальной магнитной проницаемости в некоторой точке кривой намагничивания заключается в равенстве ее значения тангенсу угла наклона прямой, соединяющей рассматриваемую точку с началом координат, а геометрический смысл дифференциальной магнитной проницаемости заключается в равенстве ее значения тангенсу угла наклона касательной в рассматриваемой точке кривой намагничивания. Отсюда вытекает, что при равенстве значений относительно нормальной и дифференциальной магнитной проницаемости μr и μd должно иметь место совпадение прямой, соединяющей точку кривой намагничивания с началом координат, и касательной к кривой намагничивания. Данному условию помимо точки, совпадающей с началом координат, удовлетворяет точка кривой первоначального намагничивания, которой соответствует максимальное значение угла наклона прямой, соединяю- щей эту точку с началом координат, и, соответственно, максимальное значение относительной нормальной магнитной проницаемости.

Содержание слайда:

Содержание слайда: Задача 3 Определить мгновенное значение ЭДС e в момент времени t = 0,2c, наводимой в контуре прямоугольной формы с размерами 4 × 6 см, находящемся в однородном магнитном поле, силовые линии которого составляют с плоскостью контура угол β = 30°, а индукция изменяется во времени по закону

Содержание слайда: Согласно закону электромагнитной индукции ЭДС, наводимая в контуре, Согласно закону электромагнитной индукции ЭДС, наводимая в контуре, Магнитный поток Φ индукции В однородного магнитного поля через площадь S контура при величине угла α между направлениями силовых линий и нормали к плоскости контура определяется следующим образом:

Содержание слайда: Решение Дифференцированием величины Φ по времени получаем: Площадь контура угол следовательно

Содержание слайда: ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ Эти измерительные преобразования основаны на физических эффектах, результатом которых является преобразование в электрический сигнал характеристик электрических полей или электрических характеристик материалов и изделий. Обычно при данном виде измерительных преобразований объект измерения или его часть помещается в постоянное или переменное электрическое поле, создаваемое между электродами, контактирующими с электропроводящим объектом измерения (электропотенциальное и электрохимическое измерительные преобразования), либо между обкладками электрического конденсатора (электроемкостное измерительное преобразование).

Содержание слайда: Электроемкостное измерительное преобразование Электроемкостное измери- тельное преобразование основано на зависимости комплексного электрического сопротивления конденсатора от различных факторов. Проводники заряжаются равными и противопо-ложными по знаку зарядами q

Содержание слайда:

Содержание слайда:

Содержание слайда: Физический смысл емкости Предположим, что заряд емкости осуществляется от источника постоянного фиксированного напряжения U. Значение накапливаемого при этом электрического заряда пропорционально емкости конденсатора: q=C⋅U. чем больше емкость конденсатора, тем больший заряд можно в нем накопить от одного и того же источника. Соответственно при фиксированном значении заряда конденсатора разность потенциалов между проводниками обратно пропорциональна значению емкости: U=q/C. Чем больше емкость конденсатора, тем меньшая работа требуется для заряда конденсатора до фиксированного значения.

Содержание слайда: Добротность конденсатора Q: Добротность конденсатора Q:

Содержание слайда: Энергия электростатического поля конденсатора. Силы, развиваемые в электростатическом поле Емкостной преобразователь является обратимым и может быть использован для преобразования электрической величины, напряжения между обкладками U, в механические величины – силу притяжения между обкладками F или момент вращения Mвр. При перемещении обкладок на малые значения dx или dα силами электростатического взаимодействия совершается элементарная механическая работа dA, которая определяется в зависимости от вида взаимного перемещения по одной из формул:

Содержание слайда: Энергия электростатического поля конденсатора. Силы, развиваемые в электростатическом поле Работа совершается за счет энергии Wэ электрического поля конденсатора. С учетом этого получаем:

Содержание слайда: Электропотенциальное измерительное преобразование Электропотенциальное измерительное преобразование основано на зависимости распределения электрического потенциала на поверхности объекта, по которому протекает электрический ток, от свойств этого объекта.

Содержание слайда: Зависимость разности потенциалов между двумя точками 1 и 2 на поверхности проводника от параметров проводника : Зависимость разности потенциалов между двумя точками 1 и 2 на поверхности проводника от параметров проводника : σ - удельная электрическая проводимость материала проводника

Содержание слайда: Данный вариант электропотенциального измерительного преобразования нашел использование главным образом для измерения удельной электрической проводимости материалов и построения так называемых реостатных измерительных преобразователей перемещений, в которых используется пропорциональная зависимость разности потенциалов или связанного с ней пропорциональной зависимостью электрического сопротивления от расстояния l.

Содержание слайда: Пьезоэлектрическое измерительное преобразование Пьезоэлектрическое измерительное преобразование основано на использовании прямого и обратного пьезоэлектрических эффектов (пьезоэффектов). Эти эффекты наблюдаются в ряде диэлектриков: природных кристаллах, таких как кварц (химическая формула SiO2), поляризованных керамических материалах и некоторых полимерах. Материалы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, называются пьезоэлектриками. Сущность прямого пьезоэффекта заключается в электрической поляризации пьезоэлектриков, проявляющейся появлением электрических зарядов на их поверхности, под действием механической деформации.

Содержание слайда: Пьезоэффект является обратимым физическим явлением. Обратный пьезоэффект заключается в возникновении в пьезоэлектриках механического напряжения или деформации под действием электрической поляризации. В недеформированном состоянии пьезоэлемент в целом, как и составляющие его отдельные элементарные ячейки, является электрически нейтральным. Электрические поля всех его зарядов уравновешивают друг друга, проявлением чего является отсутствие зарядов на электродах пьезоэлемента. Если к пьезоэлементу приложить механическое усилие в направлении оси x, то в результате деформации элементарных ячеек их нейтральность нарушается.

Содержание слайда: Деформация сжатия (а) и растяжения (б) пьезоэлемента

Содержание слайда: Наличие при деформации обусловливает возникновение на электродах пьезоэлемента поляризационных зарядов, имеющих при различных направлениях деформации различные знаки. Значение поляризационного заряда q связано со значением действующей силы F прямопропорциональной зависимостью:

Содержание слайда: Тензорезистивное измерительное преобразование Основано на использовании тензоэффекта, заключающегося в изменении активного электрического сопротивления проводников или полупроводников при их механической деформации. Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности k, определяемый как отношение относительного изменения сопротивления R к относительному изменению длины проводника l:

Содержание слайда: Деформация растяжения проводника

Содержание слайда: Электрическое сопротивление стержня длиной l, с площадью поперечного сечения S и удельным электрическим сопротивлением Электрическое сопротивление стержня длиной l, с площадью поперечного сечения S и удельным электрическим сопротивлением материала ρ определяется выражением:

Содержание слайда: Для стержня квадратного сечения:

Содержание слайда:

Содержание слайда: Электрохимическое измерительное преобразование Основано на физико-химических процессах, протекающих в проводящих электрический ток растворах. Электрохимический преобразователь представляет собой электролитическую ячейку, заполненную проводящим электрический ток раствором и имеющую два или более электродов. В общем случае электроды непосредственно участвуют в физико-химических процессах, протекающих в ячейке.

Содержание слайда: Электропроводность растворов Высокой электрической проводимостью обладают водные растворы солей, кислот и оснований. Причиной этого являются диэлектрические свойства воды. Являясь веществом с высокой диэлектрической проницаемостью вода, поляризуясь в электрическом поле ионов растворенного вводе вещества, ослабляет силы электрического взаимодействия между этими ионами. Последнее приводит к интенсивной диссоциации молекул растворенного вещества на свободные ионы (носители за- рядов). Вещества, растворяющиеся в воде с образованием положительных и отрицательных свободных ионов, называются электролитами. Удельная электрическая проводимость раствора γ зависит от его концентрации и пропорциональна химической активности раствора:

Содержание слайда: Зависимость удельной электрической проводимости раствора от концентрации

Содержание слайда: Задачи Для электроемкостного измерительного преобразователя, имеющего цилиндрические обкладки с внутренним диаметром D = 30 мм и длиной l = 60 мм, построить график зависимости емкости С от диаметра d металлического прутка.

Содержание слайда: Решение Рассматриваемый электроемкостной преобразователь представляет собой два последовательно соединенных одинаковых конденсатора. Одной из обкладок конденсатора является внутренняя цилиндрическая поверхность, а второй – поверхность прутка. Тип такого конденсатора - коаксиальная линия. Емкость коаксиальной линии в случае воздушного изолятора между обкладками определяется:

Содержание слайда: Решение Емкость двух последовательно включенных одинаковых конденсаторов С в два раза меньше емкости каждого: С = 0,5 Ск.

Содержание слайда: Задача Определить разность потенциалов Δϕ между электродами электропотенциального измерительного преобразователя, установленного на изделие, имеющее форму усеченного конуса (высота конуса h = 500 мм; диаметр вершины D1 = 10 мм и основания D2 = 30 мм), если удельная электрическая проводимость материала значение постоянного электрического тока, пропускаемого через изделие в продольном направлении I = 30 А, расстояние между электродами l = 20 мм, а расстояние от вершины конуса до ближайшего электрода b = 200 мм. Построить график изменения плотности электрического тока вдоль продольной оси изделия, принимая его одинаковым по площади поперечного сечения.

Содержание слайда: Решение Зависимость разности потенциалов между электродами при протекании постоянного электрического тока вдоль длинного проводника от параметров проводника может быть найдена с учетом непостоянства площади поперечного сечения провод ника вдоль продольной оси ox:

Содержание слайда: Решение Зависимость S(x) площади поперечного сечения от координаты x (начало координат совпадает с вершиной усеченного конуса) может быть найдена из очевидной пропорциональной зависимости диаметра D поперечного сечения от координаты x:

Содержание слайда: Решение С учетом этого получаем искомое выражение для разности потенциалов:

Содержание слайда: Решение Подстановкой заданных условием задачи значений величин получаем: С учетом ранее полученных соотношений можно записать выражение, устанавливающее зависимость плотности электрического тока от координаты x:

Содержание слайда: Распределение плотности электрического тока вдоль продольной оси изделия

Содержание слайда: Задача Определить абсолютное и относительное изменения электрического сопротивления проводника длиной l = 1 м и диаметром d = 0,2 мм, один конец которого закреплен, а к другому подвешен груз весом 10 Н . Материал проводника – сталь (удельное электрическое сопротивление модуль продольной упругости коэффициент Пуассона μ = 0,3; предел упругости

Содержание слайда: Решение Площадь поперечного сечения проводника: Сопротивление проводника в недеформи-рованном состоянии Механическое продольное напряжение, обусловленное весом тела:

Содержание слайда: Значение напряжения не превышает предела упругости материала, и следовательно деформация носит упругий характер. В этом случае относительная продольная деформация растяжения может быть определена с использованием уравнения Гука: Значение напряжения не превышает предела упругости материала, и следовательно деформация носит упругий характер. В этом случае относительная продольная деформация растяжения может быть определена с использованием уравнения Гука: