Перекласти одиниці: кулон на квадратний сантиметр [Кл / см²] <-> кулон на квадратний метр [Кл / м²] • Електротехніка • Конвертер поверхневої густини заряду • Компактний калькулятор

1. Загальні відомості
2. Історична довідка
3. Поверхнева щільність заряду. визначення
4. Поверхнева щільність заряду. фізика явищ
5. Поверхнева щільність заряду Землі
6. Кінескоп і осцилографічна трубка
7. Електролітичний конденсатор і іоністор
8. Експеримент. Визначення поверхневої густини заряду обплетення коаксіального кабелю

Наши партнеры ArtmMisto

1 кулон на квадратний сантиметр [Кл / см²] = 10000 кулон на квадратний метр [Кл / м²]

Електронна гармата кінескопа Sony Trinitron

Загальні відомості

Статичний розряд на металеві двері

Ми живемо в епоху синтезованих матеріалів. Починаючи з винаходу віскози і нейлону, хімічна промисловість щедро постачає нас синтетичними тканинами і ми вже не мислимо своє існування без них. Воістину, завдяки їм, людству вдалося повністю задовольнити потребу в одязі: від ажурних жіночих панчіх і колготок до легких і теплих светрів і зручних і красивих курток з синтетичними утеплювачами. Синтетичні тканини мають масу інших достоїнств, в число яких, наприклад, входять міцність при носінні і водовідштовхувальні властивості, або властивість довго зберігати форму після прасування.

На жаль, в бочці з медом завжди знайдеться місце для ложки дьогтю. Синтезовані матеріали легко електризується, що ми буквально відчуваємо своєї власної шкірою. Кожен з нас, стягуючи з себе светр зі штучної вовни в темряві, міг спостерігати іскорки і чути тріск електричних розрядів.

Медики ставляться до такого властивості синтетики досить насторожено, рекомендуючи використовувати, принаймні, для нижньої білизни вироби з натуральних волокон з мінімальною кількістю додається синтетики.

Технологи прагнуть створювати тканини з високими антистатичними властивостями, використовуючи різні способи зниження електризації, але ускладнення технологій веде до зростання собівартості виробництва. Для контролю антистатичних властивостей полімерів застосовують різні методи вимірювання поверхневої густини заряду, яка, поряд з питомим електричним опором, служить характеристикою антистатичних властивостей.

Необхідно відзначити, що антистатичні властивості одягу і взуття дуже важливі для певної частини чистих виробничих приміщень, наприклад, в мікроелектронної промисловості, де електростатичні заряди, що накопичуються при терті тканин або матеріалів взуття на їх поверхнях, можуть руйнувати мікросхеми.

Вкрай високі вимоги до антистатичним властивостям тканин одягу і до матеріалів взуття пред'являє нафтогазова промисловість - адже досить невеликої іскри, щоб ініціювати вибух або пожежа на таких виробництвах. часом з дуже важкими наслідками в матеріальному плані і навіть з людськими жертвами.

Історична довідка

Поняття поверхневої густини заряду безпосередньо пов'язано з поняттям електричних зарядів.

Ще Шарль Дюфе, вчений із Франції, в 1729 році висловив і довів припущення про існування зарядів різного типу, названих їм «скляним» і «смоляним», оскільки вони виходили при натирання скла шовком і бурштину (тобто смоли дерев) шерстю. Бенджамін Франклін, який досліджував грозові розряди і створив громовідвід, ввів сучасні назви таких зарядів - позитивні (+) і негативні (-) заряди.

Закон взаємодії електричних зарядів відкрив французький учений Шарль Кулон в 1785 році; нині в честь його заслуг перед наукою цей закон носить його ім'я. Справедливості заради слід зазначити, що той же самий закон взаємодії на 11 років раніше Кулона відкрив британський вчений Генрі Кавендіш, котрий використовував для експериментів такі ж розроблені ним крутильні ваги, які згодом самостійно застосував Кулон. На жаль, робота Кавендіша по закону взаємодії зарядів довгий час (понад ста років) була невідома. Рукописи Кавендіша були опубліковані в тільки 1879 році.

Наступний крок в дослідженні зарядів і розрахунків створюваних ними електричних полів зробив британський учений Джеймс Клерк Максвелл, який об'єднав своїми рівняннями електростатики закон Кулона і принцип суперпозиції полів.

Поверхнева щільність заряду. визначення

Поверхнева щільність заряду - це скалярна величина, що характеризує заряд, що припадає на одиницю поверхні об'єкту. Її фізичної ілюстрацією в першому наближенні може служити заряд на конденсаторі з плоских проводять пластин деякої площі. Оскільки заряди можуть бути як позитивними, так і негативними, значення їх поверхневої густини заряду можуть виражатися позитивними і негативними величинами. Вона позначається грецькою буквою σ (вимовляється як сигма) і розраховується виходячи з формули:

σ = Q / S де Q - поверхневий заряд, S - площа поверхні.

Розмірність поверхневої густини заряду в Міжнародній системі одиниць СІ виражається в кулонах на квадратний метр (Кл / м²).

Крім основної одиниці поверхневої густини заряду, використовується кратна одиниця (Кл / см2). В іншій системі вимірювань - СГСМ - застосовується одиниця абкулон на квадратний метр (абКл / м²) та разова одиниця абкулон на квадратний сантиметр (абКл / см²). 1 абкулон дорівнює 10 кулоном.

У країнах, де не використовуються метричні одиниці площі, поверхнева щільність заряду вимірюється в кулонах на квадратний дюйм (Кл / дюйм²) і абкулонах на квадратний дюйм (абКл / дюйм²).

Поверхнева щільність заряду. фізика явищ

Поверхнева щільність заряду використовується для проведення фізичних та інженерних розрахунків електричних полів при конструюванні і використанні різних електронних експериментальних установок, фізичних приладів і електронних компонентів. Як правило, такі установки і прилади мають площинні електроди з провідного матеріалу достатньої площі. Оскільки заряди в провіднику розташовуються по його поверхні, його іншими розмірами і крайовими ефектами можна знехтувати. Розрахунки електричних полів таких об'єктів ведуться з використанням рівнянь електростатики Максвелла.

Поверхнева щільність заряду Землі

Мало хто з нас пам'ятає той факт, що ми живемо на поверхні гігантського конденсатора, одна з обкладок якого є поверхнею Землі, а друга обкладка утворена іонізованими шарами атмосфери.

Саме тому Земля і поводиться подібно конденсатору - накопичує електричний заряд і в цьому конденсаторі, час від часу, навіть виникають пробої міжелектродного простору при перевищенні «робочого» напруги, більш відомі нам як блискавки. Електричне поле Землі подібно до електричного поля сферичного конденсатора.

Подібно будь-якій конденсатору, Земля може характеризуватися поверхневою щільністю заряду, величина якої, в загальному випадку, може змінюватися. При ясній погоді поверхнева щільність заряду на конкретній ділянці Землі приблизно відповідає середньому значенню по планеті. Локальні значення поверхневої густини заряду Землі в горах, на височинах, в місцях залягання металевих руд і при електричних процесах в атмосфері можуть відрізнятися від середніх значень в бік збільшення.

Оцінимо її середнє значення при звичайних умовах. Як відомо, радіус Землі дорівнює 6371 кілометру.

Експериментальне дослідження електричного поля Землі і відповідні розрахунки показують, що Земля в цілому володіє негативним зарядом, середнє значення якого оцінюється в 500 000 кулонів. Цей заряд підтримується приблизно на одному рівні завдяки цілому ряду процесів в атмосфері Землі і в найближчому космосі.

За відомою зі шкільного курсу формулою обчислимо площу поверхні земної кулі, вона приблизно рівна 500 000 000 квадратних кілометрів.

Звідси середня поверхнева щільність заряду Землі складе приблизно 1 • 10⁻⁹ Кл / м² або 1 нКл / м².

Нитка підігрівача і циліндричний катод кінескопа Sony Trinitron

Кінескоп і осцилографічна трубка

Телебачення було б неможливо без появи пристроїв, що забезпечують формування вузького пучка електронів з високою щільністю заряду - електронних гармат. Ще недавно одним з основних елементів телевізорів і моніторів був кінескоп, або, інакше, електронно-променева трубка (ЕПТ). Виробництво ЕПТ в річному обчисленні становило в недалекому минулому сотні мільйонів одиниць.

Кінескоп - це електронно-вакуумний прилад, призначений для перетворення електричних сигналів в світлові для динамічного формування зображення на вкритому люмінофором екрані, який може бути монохромним або поліхромним.

Конструкція кінескопа складається з електронної гармати, котра фокусує і відхиляє систем, прискорюють анодів і екрану з нанесеним шаром люмінофора. У кольорових кинескопах (ЦЕЛТ) число елементів, що створюють електронні промені, потроюється за кількістю відображуваних кольорів - червоного, зеленого і синього. Екрани кольорових кінескопів мають щілинні або точкові маски, що запобігають потраплянню електронних променів іншого кольору на конкретний люмінофор.

Люмінофор кінескопа Sony Trinitron з планарним розташуванням електронних гармат.

Люмінофорне покриття являє собою мозаїку з трьох шарів люмінофорів з різним колірним світінням. Елементи мозаїки можуть розташовуватися в одній площині або в вершинах трикутника елемента відображення.

Електронна гармата складається з катода, керуючого електрода (модулятора), що прискорює електрода, і одного і більше анодів. При наявності двох і більше анодів, перший анод називається фокусирующим електродом.

Катод кінескопів виконаний у вигляді порожнистої гільзи, на зовнішню сторону дна якої завдано оксидний шар з оксидів лужноземельних металів, що забезпечує достатню термоеміссія електронів при нагріванні до температури близько 800 ° С за рахунок підігрівача, електрично ізольованого від катода.

Модулятор являє собою циліндричний стакан з дном, що накриває собою катод. У центрі дна склянки є калібрований отвір близько 0,01 мм, зване несучої діафрагмою, через яку проходить електронний промінь.

Оскільки модулятор знаходиться на невеликій відстані від катода, його призначення і дію подібно призначенням і дії керуючої сітки в електронній лампі.

Прискорює електрод і аноди представляють собою порожнисті циліндри, останній анод виконаний також у вигляді гільзи з каліброваним отвором на дні, яке називається вихідний діафрагмою. Ця система електродів призначена для додання електронам необхідної швидкості і формування плями малих розмірів на екрані кінескопа, представляючи собою електростатичну лінзу. Її параметри залежать від геометрії цих електродів і поверхневих щільності заряду на них, які створюються шляхом подачі на них відповідних напруг щодо катода.

Електронна гармата кінескопа Sony Trinitron. 1 - катод; 2 - модулятор або керуюча сітка; 3 - екранує сітка; 4 - перший анод (прискорює і фокусує електрод); 5 - другий анод (прискорює і фокусує електрод); 6 - екранує ковпачок; 7 - контакти для подачі анодного напруги

Одним з ще недавно широко застосовуваних електронних приладів була осцилографічна електронно-променева трубка (ОЕЛТ), призначена для візуалізації електричних сигналів за рахунок їх відображення електронним променем на люмінесцентному монохромному екрані. Основною відмінністю осциллографической трубки від кінескопа є принцип побудови системи, що відхиляє. У ОЕЛТ застосовується електростатична система відхилення, тому що вона забезпечує більшу швидкодію.

Аналоговий осцилограф Tektronix 2430

Осцилографічна ЕПТ являє собою вакуумовану скляну колбу, всередині якої знаходяться електронна гармата, яка генерує вузький пучок електронів за допомогою системи електродів, що відхиляють електронний промінь і прискорюють його, і люмінесцентний екран, що світиться при бомбардуванні прискореними електронами.

Відхиляє складається з двох пар пластин, розташованих горизонтально і вертикально. До горизонтальних пластин - інакше пластин вертикального відхилення - прикладається досліджувана напруга. На вертикальні пластини - інакше пластини горизонтального відхилення - подається Пікоподібне напруга від генератора розгортки. Під дією напружень на пластинах відбувається перерозподіл зарядів на них і за рахунок утворюється сумарного електричного поля (згадаємо принцип суперпозиції полів!) Летять електрони відхиляються від своєї первісної траєкторії пропорційно докладеним напруженням. Електронний промінь малює на екрані трубки форму досліджуваного сигналу. Через пилкоподібної напруги на вертикальних пластинах електронний промінь, за відсутності сигналу на горизонтальних пластинах, рухається по екрану зліва направо, при цьому малюючи горизонтальну лінію.

Фігури Ліссажу на цифровому осцилографі

Якщо на вертикальні і горизонтальні відхиляють подати два різних сигналу, то на екрані можна спостерігати так звані фігури Ліссажу.

Так як обидві пари пластин утворюють собою плоскі конденсатори, заряди яких зосереджуються на обкладинках, для розрахунку конструкції електронно-променевої трубки застосовується поверхнева щільність заряду, що характеризує чутливість відхилення електронів до впливу напрузі.

Електролітичний конденсатор і іоністор

Розрахунки поверхневого заряду необхідно виконувати і при розробці конденсаторів. У сучасній електротехніці, радіотехніці і електроніці широко використовують конденсатори різних типів, що застосовуються для поділу ланцюгів постійного і змінного струму і для накопичення електричної енергії.

Накопичувальна функція конденсатора безпосередньо залежить від величини його ємності. Типовий конденсатор являє собою пластини з провідника, звані обкладинками конденсатора (як правило, їх матеріалом служать різні метали), розділені шаром діелектрика. Діелектриком в конденсаторах служать тверді, рідкі або газоподібні речовини, які мають високу діелектричну проникність. У найпростішому випадку діелектриком є ​​звичайне повітря.

Можна сказати, що накопичувальна ємність конденсатора для електричної енергії прямо пропорційна поверхневій щільності зарядів на його обкладках або площі обкладок, і обернено пропорційна відстані між його обкладинками.

електролітичні конденсатори

Таким чином, доступні два шляхи збільшення накопиченої конденсатором енергії - збільшення площі обкладок і зменшення зазору між ними.

В електролітичних конденсаторах великої ємності в якості діелектрика застосовується тонка оксидна плівка, нанесена на метал одного з електродів - анода - іншим електродом виступає електроліт. Головна особливість електролітичних конденсаторів полягає в тому, що вони, в порівнянні з іншими типами конденсаторів, мають великий ємністю при досить невеликих габаритах, крім того, вони є полярними електричними накопичувачами, тобто повинні включатися в електричний ланцюг з дотриманням полярності. Ємність електролітичних конденсаторів може досягати порядку десятків тисяч микрофарад; для порівняння: ємність металевої кулі з радіусом, рівним радіусу Землі, складає всього 700 микрофарад.

суперконденсатори

Відповідно поверхнева щільність заряду таких конденсаторів, які перебувають під напругою, може досягати значних величин.

Іншим способом підвищення ємності конденсатора є збільшення поверхневої густини заряду за рахунок розвиненої поверхні електродів, що досягається застосуванням матеріалів з підвищеною пористістю і використанням властивостей подвійного електричного шару.

Технічною реалізацією цього принципу є іоністор (інші назви суперконденсатор або ультраконденсатор), що представляє собою конденсатор, «обкладками» якого служить подвійний електричний шар на межі розділу електрода і електроліту. Функціонально іоністор є гібридом конденсатора і хімічного джерела струму.

Усередині електролітичного конденсатора. 1 - Алюмінієвий електролітичний конденсатор з рідким електролітом. 2 - Два виведення. 3 - Конструкція верхньої кришки із захисною рискою - клапаном, який руйнується при несправності і випускає газ разом з електролітом. 4 - Збірка з висновками зі знятим корпусом. 5, 6 - Скорочення обкладання з папером, просоченою електролітом; а - анодна фольга, b, d - папір, з - катодна фольга. 7, 8 - Катодна (b) і анодна (а) фольга

Подвійний міжфазовий електричний шар - це шар іонів, що утворюється на поверхні частинок в результаті адсорбції іонів з розчину або орієнтування полярних молекул на кордоні фаз. Іони, безпосередньо пов'язані з поверхнею, називаються потенціалопределяющего. Заряд цього шару компенсується зарядом другого шару іонів, званих противоионами.

Оскільки товщина подвійного електричного шару, тобто відстань між «обкладками» конденсатора, вкрай мала (розміром з іон), збережена іоністорів енергія вище в порівнянні зі звичайними електролітичними конденсаторами того ж розміру. До того ж використання подвійного електричного шару замість звичайного діелектрика дозволяє набагато збільшити ефективну площу поверхні електрода.

Поки типові іоністори по щільності енергії, що запасається поступаються електрохімічним акумуляторів, але перспективні розробки суперконденсаторів із застосуванням нанотехнологій вже зрівнялися з ними за цим показником і навіть перевершують їх.

Наприклад, аерогелевие суперконденсатори розробки фірми Ness Cap., Ltd з електродами зі спіненого вуглецю мають об'ємну ємність, в 2000 разів перевищує об'ємну ємність електролітичного конденсатора однакового з ним розміру, а питома потужність перевершує питому потужність електрохімічних акумуляторів в 10 разів.

До інших цінних якостей суперконденсатора, як пристрої накопичення електричної енергії, відносяться мале внутрішній опір і дуже малий струм витоку. Крім того, суперконденсатор має малий час зарядки, допускає високі струми розряду і практично необмежену кількість циклів заряд-розряд.

Суперконденсатори знаходять застосування для тривалого зберігання електричної енергії та при живленні навантаження високими струмами. Наприклад, при утилізації енергії гальмування гоночними болідами Формули 1 з подальшою рекуперацією накопиченої в іоністорів енергії. Для гоночних машин, де важливий кожен грам і кожен кубічний сантиметр об'єму, суперконденсатори з щільністю енергії, що запасається, що досягає 4000 Вт / кг, є чудовою альтернативою літій-іонним акумуляторам. Іоністори також стали звичними в легкових автомобілях, де вони використовуються для харчування апаратури під час роботи стартера і для згладжування стрибків напруги при пікових навантаженнях.

Експеримент. Визначення поверхневої густини заряду обплетення коаксіального кабелю

Як приклад розглянемо розрахунок поверхневої густини заряду на оплетке коаксіальногокабелю.

Для обчислення поверхневої густини заряду, що накопичується опліткою коаксіальногокабелю, враховуючи ту обставину, що центральна жила разом з опліткою утворюють циліндричний конденсатор, скористаємося залежністю заряду конденсатора від прикладеної напруги:

Q = C • U де Q - заряд в кулонах, C - ємність у Фарада, U - напруга в вольтах.

Візьмемо відрізок радіочастотного коаксіального кабелю малого діаметра (при цьому вище його ємність і її простіше виміряти) довжиною L дорівнює 10 метрам.

Мультиметром виміряємо ємність відрізка кабелю, мікрометрів - діаметр обплетення d

Ск = 500 пФ; d = 5 мм = 0,005 м

Подамо на кабель калібрований напруга 10 вольт від джерела живлення, під'єднавши обплетення і центральну жилу кабелю до клем джерела.

За наведеною вище формулою розрахуємо заряд, накопичений на оболонці:

Q = Сk • Uk = 500 • 10 = 5000 пКл = 5 нКл

Вважаючи оплетку відрізка кабелю суцільним провідником, знайдемо її площа, яка обчислюється за відомою формулою площі циліндра:

S = π • d • L = 3,14 • 0,005 • 10 = 0,157 м²

і обчислимо приблизну поверхневу щільність заряду обплетення кабелю:

σ = Q / S = 5 / 0,157 = 31,85 нКл / м²

Вимірювання ємності кабелю за допомогою мультиметра

Природно, при підвищенні напруги, прикладеного до оплетке і центральної жили коаксіального кабелю, підвищується і накопичується заряд і, отже, зростає і поверхнева щільність заряду.

Автор статті: Сергій Акішкін

Unit Converter articles were edited and illustrated by Анатолій Золотков

Ві маєте Труднощі в перекладі одиниці віміру з однієї мови на іншу? Колеги Готові вам помочь. Опублікуйте питання в TCTerms и в течение декількох хвилин ви отрімаєте відповідь.