Vitasvet-led.ru

Витасвет Лед
6 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Ослабление электрического поля внутри диэлектрика возникновение электрического тока

ДИЭЛЕКТРИКИ И ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ Канд.физ –мат. наук Доцент каф.физики Чужков Ю.П. — презентация

Презентация была опубликована 6 лет назад пользователемБогдан Яицкий

Похожие презентации

Презентация на тему: » ДИЭЛЕКТРИКИ И ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ Канд.физ –мат. наук Доцент каф.физики Чужков Ю.П.» — Транскрипт:

1 ДИЭЛЕКТРИКИ И ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ Канд.физ –мат. наук Доцент каф.физики Чужков Ю.П.

2 Электростатика. Диэлектрики и проводники в электрическом поле 1. Поляризация диэлектриков. Связанные заряды. 2. Диэлектрическая проницаемость среды. 3. Вектор электрического смещения. 4. Проводники в электрическом поле. 5. Электроемкость уединенного проводника Конденсаторы. Решение задач. 6. Энергия заряженного конденсатора. Энергия поля.

3 Диэлектрики в электрическом поле Все известные в природе вещества, в соответствии с их способностью проводить электрический ток, делятся на три класса: Диэлектрики Омм Проводники Омм Полупроводники ρ — удельное сопротивление; Размерность — Омм

4 ДИЭЛЕКТРИКИ В идеальном диэлектрике свободных зарядов нет диэлектрики полярные диэлектрики неполярные диэлектрики (Воздух, стекло, эбонит, слюда, фарфор, сухое дерево)

5 Полярные диэлектрики Диэлектрик (как и всякое вещество) состоит из атомов и молекул Атом Молекула Т.к. положительный заряд всех ядер молекулы равен суммарному заряду электронов, то молекула в целом электрически нейтральна Полярный диэлектрик в отсутствии внешнего электрического поля Диполи ориентированы случайным образом Центры тяжести положительных зарядов (ядер атомов) и центры тяжести отрицательных зарядов (электроны атомов) в молекуле можно рассматривать как электрический диполь

6 Полярные диэлектрики Группу полярных диэлектриков составляют вещества, молекулы которых имеют асимметричное строение, т.е. центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают (H 2 O, NH 3, SO 2, CO,…) Молекулы этих диэлектриков в отсутствие внешнего электрического поля обладают дипольным моментом. +q+q -q Электрический диполь – система из двух одинаковых по величине разноименных точечных зарядов, расстояние между которыми значительно меньше расстояния до точек наблюдения Электрический момент диполя (дипольный момент) -q +q

7 σ0 Полярный диэлектрик внесен в электрическое поле Смещение электрических зарядов вещества под действием электрического поля называется поляризацией. Внесение диэлектрика во внешнее электрическое поле приводит к возникновению отличного от нуля электрического момента диэлектрика. Возникают связанные заряды противоположного знака -σ и +σ Поляризация диэлектрика σ0 σ0 Ориентационная поляризация

8 Неполярные диэлектрики Группу неполярных диэлектриков составляют вещества, молекулы которых имеют симметричное строение, т.е. центры тяжести положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают. (N 2, H 2, O 2, CO 2, CH 4 …). Дипольный момент молекулы в отсутствие внешнего поля равен нулю Неполярная молекула в отсутствие электрического поля σ σ0 σ0 _ Деформационная поляризация

9 Поляризация диэлектрика Поляризованность. Диэлектрическая проницаемость среды При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле он поляризуется, т.е приобретает отличный от нуля дипольный момент — дипольный момент i – ой молекулы Поляризованность диэлектрика – дипольный момент единицы объема. Связь поляризованности с напряженностью поля — диэлектрическая восприимчивость вещества > 0 σ = P ε = 1 + ϰ Диэлектрическая проницаемость среды Во сколько раз поле ослабляется диэлектриком ЕЕ = ε 0 0 σ = P ε = 1 + ϰ Диэлектрическая проницаемость среды Во сколько раз поле ослабляется диэлектриком ЕЕ = ε 0″>

10 Поляризация диэлектрика σ0 σ0 _ Вектор электрического смещения Имеем два диэлектрика Напряженность электрического поля Е изменяется скачком при переходе из одной среды в другую. Для упрощения расчетов введена новая векторная величина – вектор электрического смещения ε1ε1 ε2ε2 ε1ε1 ε2ε2 Поляризация диэлектрика Единица измерения вектора D (Кл/м 2 ) σ0 σ0 _

11 Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике ε0ε0 = Вектор поляризации Поляризация диэлектрика Таким образом, вектор электрического смещения есть сумма двух векторов различной природы: — главной характеристики поля и — поляризации среды. Линии вектора Е могут начинаться и заканчиваться на любых зарядах– свободных и связанных; в то время как линии вектора D – только на свободных зарядах. Поток вектора смещения электростатического поля в диэлектрике сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности свободных электрических зарядов.

12 Поляризация диэлектрика Изменение и на границе раздела двух диэлектриков ε1ε1 α1α1 ε2ε2 α2α2 ε1ε1 α1α1 ε2ε2 α2α2 ε 1

13 Сегнетоэлектрики Сегнетоэлектриками называется группа кристаллических диэлектриков, обладающих в определенном интервале температур самопроизвольной (спонтанной) поляризацией, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – электрического поля, деформации, изменения температуры. Основные свойства сегнетоэлектриков; 1. Диэлектрическая проницаемость ε в некотором температурном интервале велика ( ε

) 2. Значение ε зависит не только от внешнего поля E 0, но и от предыстории образца. 3. Диэлектрическая проницаемость ε, а следовательно Р нелинейно зависят от напряженности внешнего электростатического поля (диэлектрический гистерезис) Домены Петля гистерезиса 4. Наличие точки Кюри – температуры, при которой сегнетоэлектрические свойства пропадают (для сегнетовой соли -18 … С, титанита бария С Применение : для создания варикондов, — конденсаторов с изменяемой емкостью.

14 Проводники в электрическом поле Напряженность и потенциал электростатического поля в проводнике В проводниках имеются носители заряда (электроны в металлах, ионы в электролитах), способные перемещаться по всему объему проводника под действием внешнего электростатического поля. При отсутствии электростатического поля металлический проводник является электрически нейтральным – электрическое поле, создаваемое положительными и отрицательными зарядами внутри него, компенсируются.

15 Проводники в электрическом поле При внесении металлического проводника во внешнее электростатическое поле электроны проводимости перемещаются (перераспределяются) до тех пор, пока всюду внутри проводника поле электронов не компенсирует внешнее поле. – – – – + + – – – – – + Явление электростатической индукции Проводники в электрическом поле

16 Свойства проводника, помещенного в электростатическое поле: Появление у заряженной поверхности на металле заряда противоположного знака – электростатическая индукция. Процесс очень краток (

10 -8 с) Электростатическое экранирование — внутрь проводника поле не проникает Во всех точках внутри проводника E = 0, а во всех точках на поверхности Е = Е n Весь объем проводника эквипотенциален потенциал на поверхности проводника равен потенциалу внутри проводникас В заряженном проводнике нескомпенсированные заряды располагаются только на поверхности (их расталкивают кулоновские силы)

17 Конденсаторы Электроемкость уединенного проводника Уединенным проводником называется проводник, который находится столь далеко от других тел, что влиянием их электрических полей можно пренебречь q q q Каждая новая порция зарядов, сообщаемых проводнику, распределяется по его поверхности подобно предыдущей (отношение плотностей зарядов в двух произвольных точках поверхности проводника при любой величине заряда будет одним и тем же). Отсюда вытекает, что потенциал уединенного проводника пропорционален находящемуся на нем заряду. Коэффициент пропорциональности С называют электроемкостью Электроемкость проводника или системы проводников – физическая величина, характеризующая способность проводника или системы проводников накапливать электрические заряды. Единица электроемкости — фарад (Ф) 1 нФ (нанофарада)=10 -9 Ф 1 пФ (пикофарад) = Ф Конденсаторы

18 Задача 1Рассчитать электроемкость уединенного проводника, имеющего форму сферы радиуса R. Между разностью потенциалов и напряженностью поля существует соотношение R φ ε Электроемкость Из соотношения видно, что электроемкость зависит как от геометрии проводника, так и от относительной диэлектрической проницаемости среды.

19 Конденсаторы Виды конденсаторов Конденсатор – система из двух проводников, обкладок, разделенных диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. По форме исполнения различают плоские, цилиндрические, сферические и слоистые конденсаторы. Плоские конденсаторы dS S Плоский воздушный конденсатор ε S S d Плоский конденсатор, заполненный диэлектриком Емкость конденсатора Разность потенциалов между обкладками

0 q» title=»Конденсаторы Цилиндрические конденсаторы l R2R2 R1R1 ε q >0 q» > 20 Конденсаторы Цилиндрические конденсаторы l R2R2 R1R1 ε q >0 q 0 q»> 0 q»> 0 q» title=»Конденсаторы Цилиндрические конденсаторы l R2R2 R1R1 ε q >0 q»>

21 Конденсаторы Соединение конденсаторов Параллельное соединение конденсаторов Для увеличения емкости конденсаторов без сильного увеличения их размеров конденсаторы соединяют параллельно в батареи. С1С1 С2С2 С3С3 +q 1 +q 3 -q 1 -q 2 -q 3 +q 2 A B U Суммарный заряд батареи q Общим является напряжение U Результирующая емкость C При параллельном соединении конденсаторов емкость батареи равна сумме емкостей включенных в батарею конденсаторов.

Читать еще:  Розетки качество как легранд

22 Соединение конденсаторов Последовательное соединение конденсаторов С1С1 С2С2 С3С3 U1U1 U2U2 U3U3 U -q +q -q+q + _ Для предотвращения пробоя системы прибегают к последовательному соединению конденсаторов Общим является заряд q суммарное напряжение U При последовательном соединении конденсаторов обратная величина емкости всей батареи равна сумме обратных величин емкостей, соединенных в батарею. Конденсаторы

23 Электростатическое поле в диэлектрике Какие изменения надо внести в закон Кулона и другие формулы электростатики в вакууме, если мы имеем дело с диэлектриками? Самое главное: диэлектрик ослабляет электрическое поле. Количественной мерой ослабления служит относительная диэлектрическая проницаемость ε Во всех формулах электростатики,полученных для вакуума,необходимо учесть диэлектрическую проницаемость.

24 Конденсаторы Соединение конденсаторов Высоковольтный импульсный генератор СССС ) С СС С ) а б Если n одинаковых конденсаторов электроемкостью С каждый соединить параллельно и зарядить до разности потенциалов Δφ, а затем в заряженном состоянии соединить их последовательно, то на зажимах батареи появится разность потенциалов nΔφ

25 ЭНЕРГИЯ ЗАРЯЖЕННОГО КОНДЕНСАТОРА +q-q Если замкнуть обкладки заряженного конденсатора, то по проволоке, соединяющей эти обкладки, потечет ток, Сила тока может достигать такой величины, что проволока расплавится. Следовательно, можно сделать вывод о том, что есть энергия. Пусть конденсатор заряжен до напряжения U, U — мгновенное значение напряжения при разрядке конденсатора. Если при этом значении напряжения протечет заряд dq, то работа. Полная энергия при разрядке конденсатора от U до 0: Энергию конденcатора можно выразить через заряд q:

26 Энергия электростатического поля Энергию заряженного конденсатора можно выразить через величины, характеризующие электрическое поле в зазоре между обкладками. Сделаем это на примере плоского конденсатора. Умножим и разделим на d Объемная плотность энергии Первое слагаемое в этом выражении совпадает с плотностью энергии поля Е в вакууме Второе слагаемое представляет собой энергию, затрачиваемую на поляризацию диэлектрика.

27 Итак, заряженный конденсатор обладает энергией. Одна формула связывает энергию конденсатора с зарядом на его обкладках, Другая формула — с напряженностью поля. Логично поставить вопрос: где же локализована (сосредоточена) энергия, что является носителем энергии – заряды или поле? В пределах электростатики ответ на этот вопрос дать невозможно: поля и заряды, их образовавшие, не могут существовать обособленно. Однако переменные поля могут существовать независимо от возбудивших их зарядов (излучение Солнца, радиоволны и т.д.) и они переносят энергию. Эти факты говорят о том, что носителем энергии является поле.

28 В однородном электрическом поле с напряженностью Е = 56 кВ/м помещена бесконечная плоскопараллельная пластина из однородного изотропного диэлектрика с диэлектрической проницаемостью ε = 45 Пластина расположена перпендикулярно к направлению вектора напряженности. Определить поверхностную плотность связанных зарядов. Дано:. Определить: Е =56 кВ/м; ε = 45. σ Поверхностная плотность заряда Задача 2 ε н Кл/м 2

29 Задача 3 Плоский конденсатор, имеющ 1 ий площадь каждой пластинки 70 см 2, а расстояние между ними 6 мм. В конденсаторе вблизи одной пластины находится слой диэлектрика с диэлектрической проницаемостью ε = 30 и толщиной 4 мм, а в остальной части – воздух. Определть емкость конденатора. ε d Ответ: С = 29 пФ

30 В некоторой точке диэлектрика с относительной диэлектрической проницаемостью ε = 20 электрическое смещение имеет значение D = 600 н Кл/м 2. Чему равна поляризованность в этой точке диэлектрика? Дано: ε = 20 ; D = 600 н Кл/м 2.. Найти:P. Решение.. Между электрическим смешением и поляризованностью диэлектрика существует связь Выразим напряженность поля через смещение . Задача 3 Вычисления Ответ:570 н Кл/м 2.

Диэлектрики в электрическом поле — Электростатика — ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Диэлектрики (или изоляторы) — вещества, относительно плохо проводящие электрический ток (по сравнению с проводниками).

Термин «диэлектрик» (от греч. dia — через и англ, electric — электрический) был введен М. Фарадеем для обозначения веществ, через которые передаются электромагнитные взаимодействия.

В диэлектриках все электроны связаны, т. е. принадлежат отдельным атомам, и электрическое поле не отрывает их, а лишь слегка смещает, т. е. поляризует. Поэтому внутри диэлектрика может существовать электрическое поле; диэлектрик оказывает на электрическое поле определенное влияние.

Диэлектрики делятся на полярные и неполярные.

Полярные диэлектрики состоят из молекул, в которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы можно представить в виде двух одинаковых по модулю разноименных точечных зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга, называемых диполем (рис. 3.9).

Неполярные диэлектрики состоят из атомов и молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают.

Поляризация полярных диэлектриков

Помещение полярного диэлектрика в электростатическое поле (например, между двумя заряженными пластинами) приводит к развороту и смещению до этого хаотически ориентированных диполей вдоль поля (рис. 3.10). Разворот происходит под действием пары сил, приложенных со стороны поля к двум зарядам диполя (рис. 3.11). Смещение диполей называется поляризацией. Однако из-за теплового движения происходит лишь частичная поляризация. Внутри диэлектрика положительные и отрицательные заряды диполей компенсируют друг друга, а на поверхности диэлектрика появляется связанный заряд: отрицательный со стороны положительно заряженной пластины, и наоборот.

Поляризация неполярных диэлектриков

Неполярный диэлектрик в электрическом поле также поляризуется. Под действием электрического поля положительные и отрицательные заряды в молекуле смещаются в противоположные стороны, так что центры распределения зарядов смещаются, как у полярных молекул. Ось наведенного полем диполя ориентирована вдоль поля. На поверхностях диэлектрика, примыкающих к заряженным пластинам, появляются связанные заряды.

Поляризованный диэлектрик сам создает электрическое поле ( , рис. 3.12). Это поле ослабляет внутри диэлектрика внешнее электрическое поле 0. Степень этого ослабления зависит от свойств диэлектрика. Уменьшение напряженности электростатического поля в веществе по сравнению с полем в вакууме характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью среды.

Относительная диэлектрическая проницаемость среды ε — это физическая величина, показывающая, во сколько раз модуль напряженности электростатического поля Е внутри однородного диэлектрика меньше модуля напряженности поля Е0 в вакууме:

В соответствии с этим сила взаимодействия зарядов в среде в е раз меньше, чем в вакууме:

Библиотека образовательных материалов для студентов, учителей, учеников и их родителей.

Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы из сети Интернет, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.

Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.

Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.

© 2014-2021 Все права на дизайн сайта принадлежат С.Є.А.

Диэлектрики и проводники в электрическом поле. Поле внутри проводников и диэлектриков

Лекция № 14 Диэлектрики и проводники в электрическом поле. Поляризация.

1 Проводники в электрическом поле

Если полюса батарейки замкнуть металлической проволокой, по ней пойдёт электрический ток. Заменим проволоку стеклянной палочкой — никакого тока не возникнет. Металл является проводником, а стекло — диэлектриком.

Проводники отличаются от диэлектриков наличием свободных зарядов — заряженных частиц, положение которых не связано с какой-то точкой внутри вещества. Свободные заряды приходят в движение под действием электрического поля и могут перемещаться по всему объёму проводника.

Проводники — это в первую очередь металлы. В металлах свободными зарядами являются свободные электроны. Откуда они там берутся? Это особенность металлической связи. Дело в том, что валентный электрон, находящийся на внешней электронной оболочке атома металла, весьма слабо связан с атомом. При взаимодействии атомов металла их валентные электроны покидают свои оболочки, «отправляясь в путешествие» по всему пространству металла.

Читать еще:  Как запараллелить интернет розетку

Проводниками являются также электролиты. Так называются растворы и расплавы, свободные заряды в которых возникают в результате диссоциации молекул на положительные и отрицательные ионы. Бросим, например, в стакан воды щепотку поваренной соли. Молекулы NaCl распадутся на ионы Na+ и Cl−. Под действием электрического поля эти ионы начнут упорядоченное движение, и возникнет электрический ток.

Природная вода, даже пресная, является проводником из-за растворённых в ней солей6 (но, конечно, не таким хорошим, как металлы). Человеческое тело в основным состоит из воды, в которой также растворены соли (хлориды натрия, калия, кальция, магния). Поэтому наше тело также служит проводником электрического тока.

Из-за наличия свободных зарядов, способных перемещаться по всему объёму, проводники обладают некоторыми характерными общими свойствами.

1.1 Поле внутри проводника

Первое общее свойство проводников в электростатическом поле состоит в том, что напряжённость поля внутри проводника везде равна нулю.

Докажем от противного, как в математике. Предположим, что в какой-то области проводника имеется электрическое поле. Тогда под действием этого поля свободные заряды проводника начнут направленное движение. Возникнет электрический ток — а это противоречит тому, что мы находимся в электростатике.

Конечно, такое рассуждение не оставляет ощущения удовлетворённости. Хотелось бы понять, почему обнуляется поле внутри проводника. Давайте попробуем.

Рассмотрим незаряженный проводящий шар, помещённый во внешнее электростатическое поле E. Для простоты считаем это поле однородным, но наши рассуждения останутся верными и в общем случае.

Под действием электрического поля E свободные электроны нашего шара скапливаются в левом его полушарии, которое заряжается отрицательно. Справа остаётся некомпенсированный положительный заряд. Возникновение этих зарядов, как вы помните, называется электростатической индукцией: заряды на поверхности проводника индуцируются (т. е. наводятся) внешним электростатическим полем. Подчеркнём ещё раз, что происходит реальное разделение зарядов: если сейчас распилить шар по диаметру в вертикальной плоскости, то получатся два разноимённо заряженных полушария.

Индуцированные заряды создают своё поле Ei , направление которого внутри шара оказывается противоположным внешнему полю (рис. 1).

Перестроение свободных зарядов шара продолжается до тех пор, пока поле Ei не компенсирует полностью внешнее поле E во всей области внутри шара. При наступлении этого момента (а наступает он почти мгновенно) результирующее поле внутри шара станет равным нулю, дальнейшее движение зарядов прекратится, и они окончательно займут свои фиксированные статические положения на поверхности шара.

А что будет в области снаружи шара? Поле Ei и тут накладывается на внешнее поле E, искажая его тем сильнее, чем ближе к шару расположена точка наблюдения. На больших расстояниях от шара внешнее поле почти не изменится. В результате картина линий напряжённости будет иметь примерно следующий вид (рис. 2).

Рис. 2 Поле внутри проводника равно нулю

До сих пор наши рассуждения относились к случаю незаряженного проводника. Что изменится, если проводнику, помещённому в электростатическое поле, сообщить вдобавок некоторый заряд q?

Легко понять, что результирующее поле внутри проводника всё равно окажется равным нулю. В самом деле, заряд q начнёт перераспределяться по поверхности проводника таким образом, что поле Ei этого заряда внутри проводника будет направлено против внешнего электростатического поля E. Перераспределение будет продолжаться до тех пор, пока оба поля E и Ei не компенсируют друг друга во всей внутренней области проводника.

Таким образом, поле внутри проводника равно нулю вне зависимости от того, заряжен проводник или нет. Любой проводник, помещённый в электростатическое поле, как бы «выталкивает» внешнее поле из своей внутренней области.

1.2 Заряд внутри проводника

Следующий общее свойство проводников состоит в том, что объёмная плотность зарядов внутри проводника везде равна нулю. Сформулируем это более подробно.

Какую бы область внутри проводника мы ни взяли, её суммарный заряд окажется равен нулю. Не скомпенсированные заряды, если они имеются, располагаются целиком на поверхности проводника.

Строгое доказательство этого утверждения опирается на фундаментальную теорему Гаусса, которую в школе не проходят. А неформальное объяснение очень простое: если бы внутри проводника имелись не скомпенсированные заряды, то они создавали бы там электрическое поле. Но электрического поля внутри проводника нет — стало быть, нет и зарядов.

Отсюда следует ещё один замечательный факт: если внутри проводника имеется полость, то поле в этой полости равно нулю. В самом деле, создадим внутри проводника полость, изъяв часть вещества. Поле как было равно нулю до изъятия, так нулевым и останется — ведь заряд вынутого вещества равен нулю! Наши манипуляции не изменили ту статическую конфигурацию зарядов на поверхности проводника, которая создаёт нулевое поле во всех точках внутри проводника.

На явлении исчезновения поля в полости внутри проводника основана так называемая электростатическая защита. Если нужно уберечь от внешних электростатических полей какое- либо устройство, его помещают в металлический ящик (или окружают металлической сеткой), обнуляя напряжённость поля в пространстве вокруг устройства.

1.3 Поле вне проводника

Теперь рассмотрим область пространства, внешнюю по отношению к проводнику. Оказывается, линии напряжённости электрического поля входят в проводник (или выходят из него) перпендикулярно поверхности проводника.

Посмотрите ещё раз на рис. 2. Вы видите, что любая силовая линия, пересекающая шар, направлена точно под прямым углом к его поверхности.

Почему так получается? Давайте снова проведём доказательство от противного. Предположим, что в некоторой точке поверхности проводника силовая линия не перпендикулярна поверхности. Тогда в данной точке имеется составляющая вектора напряжённости, направленная по касательной к поверхности проводника — так называемая касательная составляющая вектора напряжённости. Под действием этой касательной составляющей возникнет электрический ток — а это противоречит тому, что мы находимся в электростатике.

Иными словами, заряды на поверхности проводника (при помещении проводника во внешнее поле или при сообщении проводнику заряда) перестраиваются до тех пор, пока линии напряжённости, уходящие в окружающее пространство, в каждой точке поверхности проводника не окажутся перпендикулярны этой поверхности (а внутри проводника не исчезнут вовсе).

1.4 Потенциал проводника

Раньше мы говорили о потенциале той или иной точки электростатического поля. Большой интерес представляют множества точек, потенциал которых одинаков. Один пример такого множества мы знаем — это эквипотенциальные поверхности. Другим замечательным примером служит проводник.

Все точки проводника имеют одинаковый потенциал. Иными словами, разность потенциалов между любыми двумя точками проводника равна нулю.

В самом деле, если бы между какой-либо парой точек проводника существовала ненулевая разность потенциалов, возник бы ток от одной точки к другой — ведь в этом случае электрическое поле совершало бы ненулевую работу по перемещению зарядов между данными точками. Но в электростатике никакого тока быть не может. Потенциал какой-либо (и тогда любой) точки проводника называется потенциалом проводника.

Как видим, проводник представляет собой «эквипотенциальный объём». В частности, поверхность проводника является эквипотенциальной поверхностью. Это даёт дополнительное объяснение утверждения предыдущего пункта — мы же знаем, что линии напряжённости электростатического поля перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

1.5 Напряжённость и потенциал поля проводящей сферы

Рассмотрим металлическую сферу радиуса R, которой сообщён заряд q. Нас интересуют напряжённость и потенциал электростатического поля, создаваемое сферой в каждой точке пространства. Везде далее сферу можно заменить шаром — от этого ровным счётом ничего не изменится. Начнём с напряжённости поля. Внутри сферы, как мы уже знаем, напряжённость поля равна нулю. Вне сферы напряжённость оказывается такой же, как если бы заряд q был точечным и находился в центре сферы. Итак:

Читать еще:  Блок розеток фирмы легранд

На рис. 3 показаны линии напряжённости поля положительно заряженной сферы и график зависимости модуля вектора напряжённости от расстояния до центра сферы.

Рис. 3 Напряжённость поля заряженной сферы

Потенциал поля вне сферы равен потенциалу поля точечного заряда q, расположенного в центре сферы. Внутри сферы потенциал везде одинаков и совпадает с потенциалом точек поверхности сферы:

Вот как выглядит график зависимости потенциала положительно заряженной сферы от расстояния до её центра (рис. 4):

Рис. 4 Потенциал поля заряженной сферы

2 Диэлектрики в электрическом поле

В отличие от проводников, в диэлектриках нет свободных зарядов. Все заряды являются связанными: электроны принадлежат своим атомам, а ионы твёрдых диэлектриков колеблются вблизи узлов кристаллической решётки.

Соответственно, при помещении диэлектрика в электрическое поле не возникает направленного движения зарядов. Поэтому для диэлектриков не проходят наши доказательства свойств проводников — ведь все эти рассуждения опирались на возможность появления тока. И действительно, ни одно из четырёх свойств проводников, сформулированных в предыдущей статье, не распространяется на диэлектрики.

1.Напряжённость электрического поля внутри диэлектрика может быть не равна нулю.

2.Объёмная плотность заряда в диэлектрике может быть отличной от нуля.

3.Линии напряжённости могут быть не перпендикулярны поверхности диэлектрика.

4.Различные точки диэлектрика могут иметь разный потенциал. Стало быть, говорить о «потенциале диэлектрика» не приходится.

2.1 Диэлектрическая проницаемость

Но, тем не менее, одно важнейшее общее свойство у диэлектриков имеется, и вам оно известно (вспомните формулу напряжённости поля точечного заряда в диэлектрике!). Напряжённость поля уменьшается внутри диэлектрика в некоторое число ε раз по сравнению с вакуумом. Величина ε даётся в таблицах и называется диэлектрической проницаемостью диэлектрика.

Давайте разберёмся, каковы причины ослабления поля в диэлектрике. Рассмотрим диэлектрик, помещённый во внешнее однородное (для простоты) поле E. Опыт показывает, что на противоположных поверхностях диэлектрика появляются заряды разных знаков.

Рис. 5 Ослабление поля внутри диэлектрика

Эти индуцированные заряды расположены так, что создаваемое ими поле Ei внутри диэлектрика направлено против внешнего поля E0 (рис. 5, слева). При этом Ei

Ослабление электрического поля внутри диэлектрика возникновение электрического тока

Поляризация диэлектрика. Чтобы понять, почему поле внутри диэлектрика меньше, чем в вакууме, нужно учесть, что все тела построены из атомов и молекул. Атомы и молекулы в свою очередь состоят из положительных и отрицательных зарядов (атомных ядер и электронов), так что всякий диэлектрик представляет собой собрание большого числа заряженных частиц.

В молекулах эти положительные и отрицательные заряды нередко расположены так, что одна половина молекулы имеет по преимуществу положительный заряд, а другая – отрицательный. Такая молекула, грубо говоря, имеет вид палочки или стрелки с противоположно заряженными концами (рис. 65). Такие молекулы часто называют диполями (двухполюсниками, от греческого слова «ди» — два). Положительный и отрицательный заряды в каждой молекуле одинаковы, и поэтому любая молекула в целом не заряжена. Однако при помещении дипольных молекул в электрическое поле на каждую молекулу будут действовать силы, стремящиеся установить ее по направлению линий поля.

Рис. 65. Модель дипольной молекулы диэлектрика

В естественном состоянии, т. е. в отсутствие внешнего поля, молекулы вещества ориентированы совершенно хаотически. В любой части диэлектрика будут находиться одинаковые положительные и отрицательные заряды в самом хаотическом расположении (рис. 66,а), и поэтому результирующее действие этих зарядов будет равно нулю. Когда мы помещаем диэлектрик с дипольными молекулами в электрическое поле, то под действием сил поля, стремящихся повернуть диполи, молекулы поворачиваются так, чтобы их электрические оси установились по возможности по линиям поля. Говоря «по возможности», мы имеем в виду следующее. Действие электрического поля стремится установить упорядоченное расположение молекул, выстроить их цепочками, как показано на рис. 66,б и в.

Рис. 66. Поляризация диэлектрика в электрическом поле: а) электрическое поле отсутствует; б) электрическое поле слабое; в) электрическое поле сильное. Условно положительно заряженный конец диполя обозначен штриховкой

С другой стороны, тепловое движение молекул (см. том I) стремится все время расстроить эту упорядоченность и восстановить хаотическое, беспорядочное расположение молекул, показанное на рис. 66,а. Борьба между этими противоположно направленными факторами, из которых первый зависит от напряженности поля и индивидуальных свойств данного вещества, а второй определяется температурой, приводит к тому, что в поле данной напряженности не все, а лишь большая или меньшая часть молекул располагается своими осями близко к направлению поля.

Следствием этого упорядочения в расположении молекул является то, что на поверхности диэлектрика образуются равные по модулю, но противоположные по знаку электрические заряды. Эти заряды тем больше, чем более упорядочено расположение молекул. На рис. 66,в заряд на границах диэлектрика больше, чем на рис. 66,б. Диэлектрик приобретает «электрические полюсы» или, как принято говорить, поляризуется. Причина ослабления поля в диэлектрике и заключается в поляризации последнего.

Действительно, представим себе плоский конденсатор, заполненный диэлектриком (рис. 67), причем на левой обкладке имеется положительный заряд, а на правой – отрицательный. Так как одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются, то, очевидно, у левой (положительной) обкладки возникает на поверхности диэлектрика отрицательный поляризационный заряд, а у правой обкладки – положительный. Таким образом, поле , создаваемое поляризационными зарядами, направлено противоположно полю , создаваемому зарядами на обкладках, и потому ослабляет его. Результирующее поле в диэлектрике оказывается меньше, чем в отсутствие диэлектрика.

Рис. 67. Поле , созданное поляризационными зарядами и направлено противоположно полю , которое создано зарядами и на обкладках конденсатора

Мы рассматривали до сих пор только действие поля на диэлектрик, проявляющееся в повороте молекул и упорядочении их ориентации. Кроме этого действия поля, в некоторых веществах возможно и смещение зарядов в пределах каждой молекулы или, как говорят, поляризация каждой отдельной молекулы. Это действие поля еще более увеличивает поляризационные заряды, возникающие на поверхности диэлектрика, и, следовательно, приводит к еще большему ослаблению результирующего поля.

Поляризация диэлектриков напоминает собой электризацию через влияние (§ 8). Однако между этими явлениями существует и различие. Мы видели, что электризация проводников посредством влияния объясняется перемещением свободных электронов, которые в проводниках могут передвигаться по всему объему проводника. Разъединяя в электрическом поле проводник на две части, мы можем отделить индуцированные заряды, и обе половины проводника останутся заряженными даже после устранения поля, вызвавшего эти заряды. В противоположность этому, внутри диэлектрика электрические заряды не могут свободно перемещаться, а могут только смещаться в пределах своей молекулы.

Поэтому, если разделить поляризованный диэлектрик в электрическом поле на две части, то каждая часть будет состоять по-прежнему из незаряженных в целом молекул, и полный ее заряд тоже будет равен нулю. На поверхности каждой из частей заряды, однако, будут, и притом на одном конце положительные, а на другом – отрицательные (рис. 68). Это и понятно, так как к каждой части можно применить те же рассуждения, что и для целого куска диэлектрика. При устранении внешнего поля заряды внутри молекул под действием теплового движения возвращаются в исходное неупорядоченное расположение, и поляризационные заряды исчезают. Мы видим, что поляризационные заряды, в отличие от индуцированных, не могут быть отделены друг от друга. Поэтому поляризационные заряды часто называются еще связанными зарядами.

Рис. 68. При разделении поляризованного диэлектрика на две части на поверхности каждой из них возникают поляризационные заряды противоположных знаков. Поляризация диэлектрика: а) до разделения; б) после разделения

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector