Содержание

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

1. Проводники в электрическом поле

Напомним, что заряженные частицы, которые могут перемещаться в веществе, называют свободными зарядами.

Если поместить проводник в электрическое поле, то находящиеся в нем свободные заряды придут в движение и в проводнике возникнет направленное движение зарядов, то есть электрический ток. Проводники потому так и называются, что они проводят электрический ток.

Лучшие проводники – металлы. Свободными зарядами в металлах являются свободные электроны. Поскольку электроны имеют отрицательный электрический заряд, действующая на них со стороны электрического поля сила направлена противоположно напряженности электрического поля.

За направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов. Поэтому в металлах направление электрического тока противоположно направлению движения свободных зарядов – электронов (рис. 52.1).

Внесем, например, металлический шар в однородное электрическое поле (рис. 52.2).

? 1. В каком направлении будут двигаться при этом свободные электроны? Каким будет направление кратковременного электрического тока?

В результате на одной стороне шара появится избыток электронов, то есть возникнет отрицательный заряд, а на другой его стороне – недостаток электронов, то есть возникнет положительный заряд (рис. 52.3).

? 2. Объясните, почему поле, созданное этими зарядами внутри проводника, направлено противоположно внешнему полю.

Свободные электроны будут двигаться до тех пор, пока на них будет действовать сила со стороны электрического поля.

? 3. Объясните, почему равновесие зарядов в проводнике возможно только при условии, что напряженность электрического поля внутри проводника равна нулю (см. рис. 52.3).

Перераспределение зарядов в проводнике, в результате которого напряженность электрического поля внутри проводника обращается в нуль, называют электростатической индукцией.

При равновесии зарядов напряженность электрического поля внутри проводника равна нулю:

= 0.

Вследствие принципа суперпозиции полей перераспределение зарядов в проводнике изменяет и поле вне проводника. В результате линии напряженности поля вне проводника деформируются.

? 4. Объясните, почему вблизи поверхности проводника линии напряженности электрического поля перпендикулярны поверхности проводника (см. рис. 52.3).
Подсказка. Когда заряды в проводнике находятся в равновесии, на них не действует сила, направленная вдоль поверхности проводника (иначе заряды двигались бы вдоль поверхности проводника).

При равновесии электрических зарядов в проводнике они расположены всегда на поверхности проводника. Причем это справедливо как для незаряженного, так и для заряженного проводника.

Электростатическая защита

При равновесии зарядов напряженность электрического поля равна нулю не только в сплошном изолированном проводнике, но и внутри полого проводника. По этой причине, например, напряженность поля внутри однородно заряженной сферы равна нулю (если внутри сферы нет заряженных тел).

Это свойство проводников в электрическом поле используют для сования электростатической защиты: например, чувствительные к электрическому полю приборы заключат в металлические ящики. Причем я этого не обязательно даже, чтобы стенки ящиков были сплошными: достаточно использовать металлическую сетку, которую называют иногда «сеткой Фарадея» (рис. 52.4).

Электростатическую защиту используют также, чтобы защитить людей, работающих в сильном электрическом поле: в таком случае металлической сеткой окружают пространство, в котором работают люди.

2. Диэлектрики в электрическом поле

Как вы уже знаете, в диэлектриках нет свободных зарядов. Однако это не значит, что в них вообще нет заряженных частиц: ведь в атомах и молекулах диэлектриков, как и любых других веществ, есть положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны.

В диэлектриках все электроны сильно связаны со своими атомами, поэтому их называют «связанными электронами». Но под действием внешнего электрического поля молекулы диэлектриков поворачиваются или изменяют форму (деформируются).

Рассмотрим подробнее, как это происходит в диэлектриках разного вида.

Полярные диэлектрики. В молекулах некоторых веществ центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

Например, в молекуле воды, состоящей из одного атома кислорода и двух атомов водорода, электроны атомов водорода большую часть времени проводят вблизи атома кислорода, в результате чего возле атома кислорода образуется отрицательный полюс, а возле атомов водорода – положительный полюс.

Такие диэлектрики называют полярными, потому что у молекул этих диэлектриков есть два полюса зарядов – положительный и отрицательный (рис. 52.5, а).

Под действием электрического поля молекулы полярных диэлектриков поворачиваются (рис. 52.5, б) и ориентируются вдоль линий напряженности поля (рис. 52.5, в).

Неполярные диэлектрики. Диэлектрики, в молекулах которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают, называют неполярными (рис. 52.6, а). К ним относятся, например, многие газы.

Под действием внешнего электрического поля положительные и отрицательные заряды в молекуле «растаскиваются» в противоположные стороны. В результате центры распределения положительных и отрицательных зарядов перестают совпадать (рис. 52.6, б).

Деформированная молекула с точи зрения распределения зарядов становится подобной полярной молекуле, ориентированной вдоль линий напряженности поля.

Поляризация диэлектриков

Итак, под действием внешнего электрического поля молекулы как полярных, так и неполярных диэлектриков выстраиваются по направлению напряженности внешнего электрического поля.

Это явление называют поляризацией диэлектрика.
В результате поляризации диэлектрика на его поверхности появляются заряды. Как мы уже говорили, эти заряды называют связанными, потому что они обусловлены смещением заряда только внутри молекул (а не во всем образце, как это происходит при движении свободных зарядов в проводнике).

На рисунке 52.7 схематически показано, как в результате поляризации диэлектрика на его поверхности появляются связанные заряды.

Мы видим, что положительные и отрицательные заряды, образовавшиеся вследствие поляризации, внутри диэлектрика компенсируют друг друга. А на поверхности диэлектрика такой компенсации нет: поэтому и возникают поверхностные заряды.

Рассмотрим теперь, как изменяется напряженность электрического поля при внесении в него диэлектрика вследствие появления связанных зарядов.

Заметим, что напряженность поля

поляр, созданного связанными зарядами, направлена противоположно напряженности внеш внешнего электрического поля (см. рис. 52.7).

Поэтому согласно принципу суперпозиции поле, созданное связанными зарядами, уменьшает напряженность поля внутри диэлектрика (однако не до нуля, как в случае проводника).

Таким образом,

вследствие поляризации диэлектрика напряженность электрического поля внутри диэлектрика уменьшается.

Благодаря поляризации незаряженные диэлектрики притягиваются к заряженному телу независимо от знака его заряда.

Дело в том, что электрическое поле вокруг заряженных тел неоднородно: чем ближе к заряженному телу, тем больше напряженность поля.

Когда незаряженный диэлектрик вносят в электрическое поле, на его поверхности появляются связанные заряды противоположных знаков. В результате на разные части диэлектрика со стороны поля действуют противоположно направленные силы (рис. 52.8). И в неоднородном поле «побеждает» та сила, которая действует на заряды, находящиеся в более сильном поле, то есть находящиеся ближе к заряженному телу. Поэтому незаряженное тело притягивается к заряженному.


Теперь становится понятным, почему электрическое отталкивание заметили только через две тысячи лет после того, как обнаружили электрическое притяжение.

Ведь чтобы тела притягивались, достаточно, чтобы заряжено было только одно из них, причем зарядом любого знака. А отталкиваются тела лишь тогда, когда они оба заряжены, причем обязательно одноименно.

? 5. В описанном в предыдущем параграфе опыте по визуализации линий напряженности было использовано то, что состоящие из диэлектрика продолговатые тела ориентируются в электрическом поле вдоль линий напряженности. Объясните, почему это происходит.

Диэлектрическая проницаемость

Величину, которая показывает, во сколько раз уменьшатся напряженность внешнего электрического поля внутри однородного диэлектрика, называют его диэлектрической проницаемостью и обозначают ε.

Значения диэлектрической проницаемости для разных веществ могут очень сильно различаться.

Например, для воздуха ε = 1,0006, то есть очень мало отличается от единицы. Очень близка к единице и диэлектрическая проницаемость других газов. Обусловлено это главным образом малой концентрацией молекул в газах.

Значение диэлектрической проницаемости большинства жидкостей и твердых тел – от нескольких единиц до нескольких десятков. Сравнительно велика диэлектрическая проницаемость воды: ε = 81.

Но есть вещества (сегнетоэлектрики), у которых диэлектрическая проницаемость достигает десятков и сотен тысяч.

? 6. Металлическому шару радиусом 10 см сообщили положительный заряд 20 нКл и после этого поместили в большой сосуд с водой.
а) Сделайте в тетради схематический рисунок, на котором изобразите заряд шара и связанные заряды, возникшие вследствие поляризации воды.
б) Чему будет равна напряженность электрического поля на расстоянии от центра шара, равном 5 см? 15 см? 25 см?

Уменьшение силы взаимодействия заряженных тел, погруженных в диэлектрик. Поскольку взаимодействие заряженных тел осуществляется посредством электрического поля, а поле в диэлектрике уменьшается в ε раз, то в ε раз уменьшается и сила взаимодействия заряженных тел, полностью погруженных в однородный диэлектрик.

Например, для очечных зарядов, находящихся в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε, закон Кулона принимает вид

? 7. Чему равна диэлектрическая проницаемость жидкости, если погруженные в нее небольшие шарики с зарядом 30 нКл каждый взаимодействуют с силой 7,8 мкН? Расстояние между шариками равно 20 см.

Увеличение силы взаимодействия заряженных тел, между которыми помещен диэлектрик. Если расположить диэлектрик между заряженными телами, то силы, действующие на каждое заряженное тело, увеличатся.

? 8. Объясните, почему это происходит.
Подсказка. Воспользуйтесь рисунком 52.9.


Дополнительные вопросы и задания

9. Два одинаковых заряженных шарика подвешены на нитях равной длины в одной точке, При этом нити отклонены от вертикали на некоторый угол. Когда всю эту систему погрузили в жидкий диэлектрик, угол отклонения нитей не изменился.
а) Изобразите на чертеже все силы, действующие на один из шариков до погружения в диэлектрик и после этого.
б) Во сколько раз плотность шариков больше плотности диэлектрика, если его диэлектрическая проницаемость равна 3?

10. Как изменится сила взаимодействия двух заряженных тел, если поместить между ними незаряженный проводник, который не касается этих тел?

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Внесение некоторого вещества в электрическое поле может привести к существенному его изменению; это обусловлено тем, что вещество составляют заряженные частицы. Если внешнее поле отсутствует, распределение частиц вещества происходит таким образом, что электрическое поле, которое они создают, в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. Если внешнее поле присутствует, заряженные частицы перераспределяются, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле E→ включает в себя (согласно принципу суперпозиции) внешнее поле E0→ и внутреннее поле E'→ которое создается заряженными частицами вещества.

Электрические свойства веществ обуславливают их многообразие. Самые широкие классы веществ – это проводники и диэлектрики.

Проводники

Отличительная черта проводников заключается в наличии свободных зарядов (электронов), принимающих участие в тепловом движении и способных осуществлять перемещение по всему объему проводника. Типичным примером проводников служат металлы.

Определение 1

Если внешнее поле отсутствует, то в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд будет компенсироваться положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, который внесен в электрическое поле, произойдет перераспределение свободных зарядов, следствием чего будет возникновение на поверхности проводника нескомпенсированных положительных и отрицательных зарядов (рис. 1.5.1). Описанный процесс носит название электростатической индукции, а возникающие на поверхности проводника заряды называют индукционными зарядами.

Индукционными зарядами создается свое собственное поле E'→ и оно компенсирует внешнее поле E0→ во всем объеме проводника: E→=E0→+E'→=0 (внутри проводника).

Определение 2

Полное электростатическое поле внутри проводника есть нуль, а потенциалы во всех точках являются одинаковыми и равными потенциалу на поверхности проводника.

Рисунок 1.5.1. Электростатическая индукция.

Все внутренние области проводника, который внесен в электрическое поле, остаются электронейтральными. Удаление некоторого объема, выделенного внутри проводника, а соответственно образование пустой полости, приведет к тому, что электрическое поле внутри полости станет равным нулю. На этом основана электростатическая защита – приборы, имеющие чувствительность к электрическому полю в целях исключения влияния поля помещают в металлические ящики (рис. 1.5.2).

Рисунок 1.5.2. Схема электростатической защиты. Поле в металлической полости равно нулю.

Поскольку поверхность проводника эквипотенциальна, необходимо, чтобы силовые линии у поверхности являлись перпендикуляром к ней.

Диэлектрики

Диэлектрики (изоляторы) отличаются от проводников тем, что не имеют свободных электрических зарядов. Диэлектрики включают в себя нейтральные атомы или молекулы. Заряженные частицы в нейтральном атоме являются связанными друг с другом и не имеют способности к перемещению под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

Внесение диэлектрика во внешнее электрическое поле E0→ вызовет возникновение в нем некоторого перераспределения зарядов, которые входят в состав атомов или молекул. Следствием этого перераспределения является появление на поверхности диэлектрического образца избыточных нескомпенсированных связанных зарядов. Все заряженные частицы, которые образуют макроскопические связанные заряды, все так же входят в состав своих атомов.

Определение 3

Связанные заряды образуют электрическое поле E'→ направленное внутри диэлектрика противоположно вектору напряженности E0→ внешнего поля: данный процесс носит название поляризации диэлектрика.

Вследствие поляризации полное электрическое поле E→=E0→+E'→=0 внутри диэлектрика становится по модулю меньше внешнего поля E0→.

Определение 4

Диэлектрическая проницаемость вещества – это физическая величина, которая есть отношение модуля напряженности E0→ внешнего электрического поля, создаваемого в вакууме, к модулю напряженности E→ полного поля в однородном диэлектрике.

ε=E0E.

Известно несколько механизмов поляризации диэлектриков: основные - это ориентационная и электронная поляризации. Проявление этих механизмов происходит в основном при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.

Ориентационная или дипольная поляризация появляется, когда полярные диэлектрики состоят из молекул, у которых имеет место несовпадение центов распределения положительных и отрицательных зарядов. Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи.

Определение 5

Микроскопические электрические диполи – это нейтральная совокупность двух зарядов, являющихся равными по модулю и противоположными по знаку, расположенных на расстоянии друг от друга.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

К примеру, дипольный момент имеет молекула воды, а также молекулы некоторых прочих диэлектриков (h3S, NO2 и т. д.).

Когда внешнее электрическое поле отсутствует, оси молекулярных диполей по причине теплового движения имеют хаотичную ориентацию, в связи с чем на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем является равным нулю.

Если внести диэлектрик во внешнее поле E0→, возникнет частичная ориентация молекулярных диполей. Вследствие этого поверхность диэлектрика получит нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле E'→ направленное навстречу внешнему полю E0→ (рис. 1.5.3).

Рисунок 1.5.3. Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика.

Поляризация полярных диэлектриков обладает сильной зависимостью от температуры, поскольку тепловое движение молекул выступает в качестве дезориентирующего фактора.

Электронный или упругий механизм возникает при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не имеют при отсутствии внешнего поля дипольного момента. Электрическое поле, воздействуя на молекулы неполярных диэлектриков, вызывает их деформацию – положительные заряды смещаются в направлении вектора E0→ а отрицательные – в противоположном направлении. В итоге каждая молекула становится электрическим диполем, ось которого имеет направление вдоль внешнего поля. Поверхность диэлектрика получает нескомпенсированные связанные заряды, которые создают свое поле E'→ имеющее направление навстречу внешнему полю E0→ Таким образом происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 1.5.4).

Деформация неполярных молекул, испытывающих влияние внешнего электрического поля, не имеет зависимости от теплового движения, т.е. поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры.

Пример 1

В качестве примера неполярной молекулы можно рассмотреть молекулу метана Ch5, в которой четырехкратно ионизированный ион углерода C4– расположен в центре правильной пирамиды; в вершинах этой пирамиды - ионы водорода H+. Наложение внешнего электрического поля вызовет смещение иона углерода из центра пирамиды: в этом случае у молекулы возникнет дипольный момент, пропорциональный внешнему полю.

Рисунок 1.5.4. Поляризация неполярного диэлектрика.

В электрическом поле E'→ связанных зарядов, которое возникает при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, происходит его изменение по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля E0→. В электрических полях значительной силы указанная закономерность может нарушаться: в таком случае получают проявление различные нелинейные эффекты. Для полярных диэлектриков в сильных полях возможно наблюдать эффект насыщения.

Определение 6

Эффект насыщения – это выстраивание всех молекулярных диполей вдоль силовых линий.

Когда диэлектрики неполярны, сильное внешнее поле, которое можно сравнить по модулю с внутриатомным полем, имеет возможность значимо деформировать атомы или молекулы вещества с изменением их электрических свойств. Но подобные явления почти никогда не наблюдаются, поскольку для этого необходимы поля, имеющие напряженность порядка 1010–1012 В/м. При этом гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.

Определение 7

Электронная поляризация – это процесс поляризации, при котором непарные молекулы получают деформацию электронных оболочек.

Этот механизм универсален, так как деформация электронных оболочек под влиянием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика.

Определение 8

Ионная поляризация – это поляризация твердых кристаллических диэлектриков, следствием которой является смещение ионов различных знаков, составляющих кристаллическую решетку, в противоположных направлениях при воздействии внешнего поля. В результате смещения на гранях кристалла образуются связанные (нескомпенсированные) заряды.

Пример 2

В качестве примера описанного механизма, можно рассмотреть поляризацию кристалла NaCl, в котором ионы Na+ и Cl– составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. При отсутствии внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла NaCl является электронейтральной и не обладающей дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки сместятся в противоположных направлениях, т. е. кристалл подвергнется процессу поляризации.

Когда происходит процесс поляризации неоднородного диэлектрика, связанные заряды могут появиться не только на поверхности, но и в объеме диэлектрика. В таком случае электрическое поле E'→ связанных зарядов и полное поле E→ будут обладать сложной структурой, зависящей от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле _formula_ в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем E→ точно верно лишь, когда речь идет об однородном диэлектрике, который заполняет все пространство, где создано внешнее поле. В частности:

Определение 9

В случае, когда в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд Q, напряженность электрического поля E→ этого точечного заряда и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме. Запишем данное утверждение в виде формул:

E→=14πε0·Qεr3r→, φ=14πε0Qεr.

Диэлектрики: полярные, неполярные, кристаллические; проводники. Поведение вещества(заряда) во внешнем элекрическом поле

Тестирование онлайн

  • Проводники, диэлектрики. Основные понятия

  • Диэлектрики, сферический проводник

Диэлектрики

Это такие вещества, в которых нет свободных зарядов. Заряженные частицы не могут двигаться по всему объему тела. Они способны только смещаться на небольшие расстояния относительно своих равновесных состояний. Не проводят электрический ток.

Диэлектрики бывают: полярными, неполярными, кристаллическими.

У полярных диэлектриков молекула такая, что ее ядро и электроны находятся друг от друга на некотором расстоянии, то есть сдвинуты положительный и отрицательный центры. Поэтому молекулу называют электрическим диполем. К полярным диэлектрикам относятся дистиллированная вода, спирт.

У неполярных диэлектриков молекула симметричная. Вещества: парафин, бензол, азот и др.

Диполь отсутствует.

К кристаллическим диэлектрикам относятся такие вещества, у которых кристаллическую решетку можно рассматривать как две подрешетки - с положительными и отрицательными ионами.

Проводники

Это вещества, в которых есть свободные заряженные частицы (электроны, положительные ионы и отрицательные ионы), способные перемещаться по всему объему вещества. Это металлы, растворы солей, кислот и щелочей и др. Эти вещества проводят электрический ток.

Вещества в электрическом поле

При помещении в электростатическое поле полярного диэлектрика, диполи переориентировываются таким образом, что вектор напряженности E' внутреннего поля направлен в противоположную сторону относительно вектора напряженности внешнего поля E0.


Поляризация приводит к ослаблению внешнего электрического поля в раз, где - диэлектрическая проницаемость

Аналогичным образом ведут себя кристаллические диэлектрики.

При помещении во внешнее поле неполярного диэлектрика у нейтральных молекул деформируются электронные облака, происходит электронная поляризация.


При помещении проводника все свободные заряды одного знака устремляются в одну сторону, заряды противоположного знака в противоположную сторону, это явление называется электростатической индукцией. Внутреннее поле, которое при этом образуется внутри проводника "гасит" внешнее поле.


Так как свободные заряды концентрируются по краям, а не во всем объеме вещества, как у диэлектриков, то внутри проводника отсутствует электростатическое поле. Напряженность внутри проводника равна нулю. Использование этого свойства называется электростатической защитой. Помещенные внутрь проводника тела не будут испытывать действие внешнего электростатического поля, проводник как бы ограждает.

Проводящая сфера

Рассмотрим проводник сферической формы.

Заряды на поверхности распределяются так, что их плотность больше в точках поверхности, обладающей большей кривизной. По поверхности сферы заряд распределяется равномерно.

А что произойдет, если внутрь сферической оболочки поместить заряд? Индукционные заряды возникнут на ее внутренней поверхности. В этом случае внутри сферы поле будет.

Для равномерно заряженной сферой радиусом R и зарядом q на расстоянии r от центра сферы, справедливы формулы:

Заземление

Благодаря своим огромным размерам Земля действует как резервуар зарядов, принимая и отдавая электроны. Когда мы поднесем к заземленному металлическому предмету отрицательно заряженный стержень, свободные электроны в металле будут отталкиваться и уходить в Землю. Если отсоединить стержень от этого предмета, на металле останется избыточный положительный заряд. Так мы зарядим тело положительным зарядом.

Различные стадии зарядки тела: а) приближая к шарику электроскопа отрицательно заряженный сургуч, мы вызываем на стержне электроскопа положительный заряд, а на его листках — отрицательный заряд; б) не убирая сургуча с отрицательным зарядом, прикасаемся рукой к шарику электроскопа и отводим часть отрицательного заряда электроскопа через свое тело в землю; листки электроскопа спадают; в) убрав палец, а затем убрав сургуч, мы оставляем на электроскопе только положительный заряд, который распределяется между шариком и листками электроскопа.

Упражнения

К металлическому шару, установленному на электроскопе, одновременно прикасаются наэлектризованной эбонитовой палочкой и рукой. Затем отнимают сначала руку, а потом палочку. Какого знака заряд получит электроскоп?

В результате контакта эбонитовой палочки с шаром электроскоп получит небольшой отрицательный заряд, который через руку уйдет в землю. Так как эбонит – диэлектрик, то на остальных участках палочки, которые не контактировали с шаром, отрицательные заряды останутся неподвижными. Они зарядят электроскоп положительным зарядом.


Как известно, заряженный шарик притягивает бумажку. Как изменится сила притяжения, если окружить металлической сферой заряженный шарик? бумажку?

Если окружить шарик концентрической металлической сферой, ничего не изменится: и шарик и металлическая сфера действуют как заряд, сосредоточенный в точке, находящейся в центре шарика. Если окружить сферой бумажку, сила притяжения обратится в ноль: бумажка попадает в «цилиндр Фарадея», зато теперь металлическая сфера и шарик будут притягиваться друг к другу.


Внутрь полой сферы проводящей незаряженной сферы был помещен шарик с зарядом q, после чего сфера была на короткое время соединена с землей, и затем шарик удален из сферы. Какой заряд будет иметь сфера после этих операций? Где и как будет распределен этот заряд? Где и какое будет существовать электрическое поле?

Заряд q. Он будет распределен равномерно по внешней поверхности сферы. Внутри сферы напряженность поля будет равна нулю. Вне сферы будет существовать электрическое поле, подобное полю точечного заряда q, помещенного в центр сферы.


Имеется полая проводящая незаряженная сфера, внутрь которой помещен положительный заряженный шарик. Укажите: а) Где будет существовать электрическое поле? б) Будут ли появляться заряды на сфере? в) Будет ли меняться поле внутри и вне сферы, если перемещать шарик, если шарик оставить неподвижным, а снаружи к сфере поднести заряженное тело?

а) Поле будет существовать внутри и вне сферы; б) на внутренней поверхности появится отрицательный заряд, на внешней - положительный; в) в первом случае будет изменяться электрическое поле только внутри сферы, во втором - только вне сферы.


Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Электростатическая индукция

Любое тело, помещенное в электрическом поле, электризуется. Однако процесс электризации для различных веществ будет разным.

Электрические характеристики электронейтрального тела зависят от подвижности заряженных частиц в нем, которая определяется строением атомов вещества и их взаимным расположением.

По концентрации свободных заряженных частиц в веществе все вещества делятся на три основных класса: проводники, диэлектрики и полупроводники. К проводникам относятся вещества, содержащие заряженные частицы, способные двигаться упорядоченно по всему объему тела под действием электрического поля, — так называемые свободные заряды. Проводниками являются все металлы, водные растворы солей, кислот, щелочей, расплавы солей, ионизованные газы.

Рассмотрим поведение в электрическом поле только твердых металлических проводников. В металлах носителями свободных зарядов являются свободные электроны. Их называют электронами проводимости. Свободные электроны участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по куску металла в любом направлении.

Поместим незаряженный металлический проводник в однородное электростатическое поле.

Под действием поля в нем возникнет упорядоченное движение свободных электронов в направлении, противоположном направлению напряженности Ē этого поля. Электроны будут накапливаться на одной стороне проводника и образуют там избыточный отрицательный заряд, а их нехватка на другой стороне проводника повлечет образования там избыточного положительного заряда, то есть в проводнике произойдет разделение зарядов. Эти нескомпенсированные разноименные заряды появляются в проводнике только под действием внешнего электрического поля, то есть такие заряды являются индуцированными (приведенными). А в целом проводник остается незаряженным. В этом мы убеждаемся, вынимая проводник из электрического поля.

Вид электризации, при котором под действием внешних электрических полей происходит перераспределение зарядов между частями определенного тела, называют электростатической индукцией.

Нескомпенсированные электрические заряды, появившиеся на противоположных частях проводника, создают внутри проводника собственное электрическое поле напряженностью Ēвн. Направления внешнего и внутреннего полей — противоположные:

Проводник во внешнем электрическом поле

В результате перемещения свободных носителей заряда и накопления их на противоположных частях проводника напряженность Ē внутреннего поля увеличивается и, наконец, уравнивается по модулю с напряженностью Ēвн внешнего поля.  Это приводит к тому, что напряженность результирующего поля внутри проводника равна нулю. К тому же на проводнике устанавливается равновесие зарядов.

Электростатическая защита

При равновесия зарядов на проводнике все нескомпенсированный заряд размещается только на внешней поверхности проводника, а внутри него электрического поля нет. Это явление используют для создания электростатической защиты — защиты от действия электрического поля. В отличие от гравитационного поля, от электрического поля можно защититься, если окружить проводник, например, медной сеткой. На практике это используют, чтобы защититься от мощного электрического поля радиолокаторов и радиостанций, излучения которых может навредить здоровью человека; чтобы предотвратить действия электрического поля на чувствительные приборы.

Электрическое поле, сконцентрированное извне

Виды диэлектриков

Диэлектриками, или изоляторами, называют такие тела, через которые электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному. Это свойство диэлектриков обусловлена тем, что в них при определенных условиях нет свободных носителей заряда. Если условия меняются, например, при нагревании, в диэлектрике могут возникнуть свободные носители заряда, и он начнет проводить электричество. Итак, разделение веществ на проводники и диэлектрики является условным.

К диэлектрикам относятся все газы при нормальных условиях, жидкости (керосин, спирты, ацетон, дистиллированная вода и др.), твердые тела (стекло, пластмассы, сухое дерево, бумага, резина и т.д.).

В диэлектриках электрические заряды не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему тела так, как свободные заряды проводника.

Диэлектрики делят на два вида:

  • полярные, состоящие из молекул, в которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают (вода, спирты и др.)
  • неполярные, состоящие из атомов или молекул, в которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают (бензол, инертные газы, полиэтилен и др. ).
Виды диэлектриков: а — полярные; б — неполярные

Поляризация диэлектриков

Внутри диэлектрика электрическое поле может существовать. Притяжение незаряженного тела (диэлектрика) и заряженного тела объясняется тем, что в электрическом поле происходит поляризация диэлектрика, то есть смещение по сторонам разноименных зарядов, входящих в состав атомов и молекул таких веществ, но здесь смещение происходит в пределах каждого атома или молекулы.

Молекулы полярных диэлектриков — это электрические диполи, имеющих постоянный дипольный момент вследствие асимметрии центра масс положительных и отрицательных зарядов.

Если полярный диэлектрик поместить в электрическое поле, то эти диполи начинают возвращаться своими положительно заряженными концами к отрицательно заряженной пластины, а отрицательно заряженными — к положительно заряженной пластине. В результате на поверхности диэлектрика у положительной пластины возникает достаточно тонкий слой отрицательных зарядов, а у отрицательной — положительных, которые и создают встречное поле. (Внутри диэлектрика положительные и отрицательные заряды соседних диполей компенсируют действие друг друга.) Однако, в отличие от проводников, это поле уже не способно полностью компенсировать внешнее, а лишь ослабляет его в ε раз.

Поляризация полярного диэлектрика

Молекулы неполярных диэлектриков, если отсутствует внешнее электрическое поле, дипольного момента не имеют. Если же неполярный диэлектрик поместить в электрическое поле, его молекулы деформируются, в результате чего образуются диполи, которые ведут себя, как и диполи полярного диэлектрика. В полярных диэлектриках также происходит поляризация молекул, вследствие чего в электрическом поле дипольный момент каждой молекулы несколько увеличивается. Но поляризация неполярных диэлектриков объясняется возникновением дипольного момента в молекуле вследствие ее деформации во внешнем электрическом поле. В зависимости от химической связи она может быть результатом деформации электронных оболочек отдельных атомов и ионов (электронная поляризация) или следствием смещения положительных и отрицательных ионов в разные стороны вдоль силовых линий внешнего электрического поля (ионная поляризация).  Приведенный дипольный момент возрастает с увеличением напряженности электрического поля.

Деформация и ориентация молекул неполярного диэлектрика в электрическом поле

Таким образом, в диэлектриках, как и в проводниках, наблюдается индукция электрических зарядов. Однако, если в электрическом поле разделить диэлектрик на две части, то мы не получим разноименно заряженных тел. В этом заключается отличие индукции в диэлектрике от индукции в проводниках.

Диэлектрическая проницаемость вещества

Для характеристики электрических свойств диэлектриков введена особая величина, которую называют диэлектрической проницаемостью. Это физическая постоянная, которая показывает, во сколько раз модуль напряженности электрического поля внутри диэлектрика Евн меньше модуля напряженности Е0 в вакууме:

Диэлектрическая проницаемость определена для всех диэлектриков и занесена в таблицы. Для дистиллированной воды ε = 81, а для керосина ε = 2.

Проводники и диэлектрики в электростатическом поле

Среди опытов по электростатике обращает на себя внимание целая серия не совсем обычных явлений. Среди них такие:

если к металлической пластине, укрепленной на стержне электрометра, поднести наэлектризованную эбонитовую палочку, то стрелка электрометра отклоняется, как в случае сообщения ей заряда
если на стержне электрометра укрепить пластину из диэлектрика и наэлектризовать ее, то стрелка электрометра отклонится на некоторый угол
при поднесении к наэлектризованной пластине другой, ненаэлектризованной пластины из диэлектрика, угол отклонения стрелки электрометра становится меньше, как если бы заряд на закрепленной пластине уменьшился

Когда речь идет об электрическом взаимодействии, говорят, что этот вид взаимодействия осуществляется между заряженными телами, причем таким образом, что одноименно заряженные тела отталкиваются друг от друга, а разноименно заряженные притягиваются друг к другу.

Но уже первые наблюдения электростатических взаимодействий показывают, что к наэлектризованным телам притягиваются и тела, не имеющие электрического заряда. При этом неважно, из какого материала они изготовлены – из проводника или из диэлектрика.

Все эти опытные данные можно объяснить, исходя из следующих соображений.

Во-первых, названные явления протекают в электрических полях, созданных наэлектризованными телами.

Во-вторых, ведут себя тела так, как если бы на них появлялись или изменялись электрические заряды.

Возникает вопрос: откуда могут взяться на телах заряды, если эти тела не соприкасаются ни с какими другими телами?

Ответ очевиден: ниоткуда. Вероятно, под действием внешнего электрического поля что-то происходит с теми зарядами, которые имеются в любом теле. Можно предположить, что эти заряды перераспределяются внутри тела, создавая свое внутреннее электрическое поле.

Тогда, в результате сложения внутреннего и внешнего полей, возникает результирующее поле, отличное от первоначального значения внешнего поля.

Конкретно, этот механизм может выглядеть так. В проводниках имеются свободные заряды. В металлах – это электроны. В электрическом поле электроны, в силу своей легкоподвижности, будут двигаться до тех пор, пока не сравняются напряженности внешнего поля и поля заряженных частиц. Следовательно, следует ожидать, что внутри металла, или в области, ограниченной металлическим проводником, результирующее электрическое поле будет равно нулю.

Это предположение проверяется экспериментально.

Если в электрическое поле поместить частички, способные в нем двигаться, то частички начнут перемещаться вдоль линий напряженности.

Ограничив некоторую область пространства, содержащую частички, металлическим кольцом, можно наблюдать, что движение частиц полностью прекращается.

Проводники действительно обладают экранирующим действиием по отношению к электрическому полю.

Несколько иначе должны обстоять дела с диэлектриками, попавшими в электрическое поле, поскольку в них нет свободных заряженных частиц. Здесь механизм возникновения внутреннего поля может отличаться для диэлектриков, состоящих из полярных и неполярных молекул.

Если молекулы представляют собой образования со смещенными относительно их центров положительными и отрицательными зарядами, то во внешнем поле такие молекулы могут поворачиваться.

Если у молекул центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, то они во внешнем поле могут деформироваться.

В обоих случаях внутри диэлектрика должно возникать поле, ослабляющее то поле, которое вызвало названные процессы.

Если в опыте с частичками, движущимися в электрическом поле, ограничить некоторую область пространства кольцом из диэлектрика, то можно наблюдать, что интенсивность движения частиц в этой области несколько уменьшается.

Кроме того, проведя подобные рассуждения, можно предсказать результат еще одного опыта.

Если к висящей на нити объемной гильзе, изготовленной из металлической фольги, поднести заряженную, например, положительно, палочку, то гильза должна к палочке притянуться, так как электроны в поле, созданном палочкой, соберутся на том конце гильзы, который находится ближе к палочке.

После соприкосновения тел, часть электронов с гильзы перейдет на палочку. Гильза, став положительно заряженной, оттолкнется от палочки.

Но если палочку поднести очень близко к гильзе, то может наступить момент, когда сила притяжения оставшихся в гильзе отрицательных зарядов станет больше силы отталкивания положительных зарядов, так как последние должны находиться в гильзе на большем расстоянии от палочки, чем отрицательные заряды.

Эти предположения успешно подтверждаются экспериментально.

В целом, совпадение умозаключений с опытными данными говорит о правомерности рассуждений о поведении проводников и диэлектриков в электрическом поле.

Проводники и диэлектрики в электростатическом поле

Как вы знаете из курса физики восьмого класса, все тела можно классифицировать, в соответствии с их способностью проводить электрический ток. Тело может являться проводником, полупроводником или диэлектриком. Проводниками называют тела, проводящие электричество, а диэлектриками называют тела, не проводящие электричество.

Полупроводники — это тела, которые меняют свои свойства проводимости в зависимости от внешних условий. Но о полупроводниках мы поговорим позже, а сегодня мы рассмотрим проводники и диэлектрики. Рассмотрим, что происходит с проводником, помещенным в электростатическое поле. Конечно, к проводникам, в первую очередь, относятся металлы, в которых существуют, так называемые, свободные заряды. Свободные заряды — это электрические заряды, способные перемещаться внутри проводника. Как вы знаете, в металлах наблюдается металлическая связь. Нейтральные атомы металла начинают взаимодействовать друг с другом, в результате чего, некоторые электроны отрываются от атомов и становятся свободными. Эти электроны начинают участвовать в тепловом движении и могут перемещаться по всему проводнику в случайных направлениях. Иными словами, свободные электроны в проводнике ведут себя подобно молекулам газа. Поскольку все атомы изначально электрически нейтральны, если они теряют электрон, они становятся положительно заряженными ионами.

Таким образом, в проводниках наблюдается следующая картина: положительно заряженные ионы оказываются окружены так называемым электронным газом. Конечно, не надо думать, что электроны образуют какой-то реальный газ. Просто их движение очень напоминает хаотическое движение молекул газа.

Рассмотрим случай, когда металлический проводник находится в однородном электростатическом поле.

Как вы знаете, под действием электрического поля свободные электроны приходят в упорядоченное движение (то есть, в проводнике возникает электрический ток). В результате одна сторона проводника заряжается отрицательно, а другая — положительно. Это явление называется электростатической индукцией. То есть электростатическая индукция — это явление наведения собственного электростатического поля под воздействием внешнего электрического поля.

Итак, из-за электростатической индукции, возникает другое электростатическое поле, создаваемое появившимися зарядами. По принципу суперпозиции полей, это поле накладывается на внешнее поле и компенсирует его. Из этого мы можем сделать очень важный вывод: напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю:

Этот факт используется для создания электростатической защиты: чувствительные к электрическому полю приборы, помещаются в металлические ящики. В настоящее время даже некоторые виды спецодежды включают в себя современные электропроводящие материалы, которые создают внутри костюма замкнутое пространство, защищенное от воздействия электрических полей.

Впервые, эксперимент, подтверждающий отсутствие электростатического поля внутри проводника, провел Майкл Фарадей еще в 1836 году. По его указанию большую деревянную клетку оклеили листами оловянной фольги (которая является проводником). Предварительно клетку изолировали от земли и сильно зарядили ее (так что при приближении к ней тел, с ее поверхности вылетали искры).

Тем не менее, сам Фарадей совершенно спокойно находился внутри данной клетки. Более того, в его руках был исправный электроскоп, который показывал полное отсутствие электрического поля. Впоследствии, подобные конструкции получили название «клетка Фарадея».

Необходимо отметить еще один важный факт: вблизи поверхности (вне проводника) линии напряженности электростатического поля перпендикулярны этой поверхности.

Если бы это было не так, и какая-то линия напряженности была бы не перпендикулярна поверхности, то это привело бы к движению свободных зарядов. Такое движение продолжается до тех пор, пока все силовые линии не станут перпендикулярны поверхности проводника. Надо сказать, что весь статический заряд любого проводника находится на поверхности этого проводника. В этом легко убедиться, поскольку мы уже выяснили, что напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю. Следовательно, внутри проводника никакого заряда нет, поскольку в противном случае, он создавал бы отличную от нуля напряженность.

Теперь давайте поговорим о диэлектриках. Диэлектрики в электростатическом поле ведут себя иначе, чем проводники. Диэлектрики, наоборот, не проводят ток, но внутри них может существовать электрическое поле.

Дело в том, что в диэлектриках не возникают свободные заряды, поскольку между ядрами атомов и электронами существует довольно сильная связь. Приведем два классических примера распределения электрического заряда. Как вы знаете, ядро водорода состоит из одного протона, а вокруг этого протона вращается один электрон. В целом, атом электрически нейтрален. Электрон вращается вокруг протона с очень большой скоростью: за одну секунду он делает порядка 1015 оборотов. Это говорит нам о том, что каждую микросекунду электрон оказывается в любой точке своей орбиты миллионы раз. Поэтому, смело можно считать, что в среднем по времени центр распределения отрицательного заряда находится в центре атома, то есть совпадает с положительно заряженным ядром.

Тем не менее, есть и другие случаи. Например, молекула поваренной соли состоит из атома натрия и атома хлора. Из курса химии вы знаете, что атом хлора имеет 7 валентных электронов, а у атома натрия всего один валентный электрон. Поэтому, в процессе образования молекулы, атом хлора захватывает электрон натрия, в результате чего образуется система из двух ионов. Теперь центр распределения отрицательного заряда приходится на ион хлора, а центр распределения положительного заряда приходится на ион натрия. Тем не менее, в целом молекула остается электрически нейтральна. Подобные системы называются электрическими диполями.

Электрический диполь

В связи с этим, разделяют два вида диэлектриков: неполярные и полярные. Неполярные диэлектрики — это диэлектрики, состоящие из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают.

И наоборот, полярными диэлектриками называются диэлектрики, состоящие из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

О поляризации диэлектриков мы поговорим более подробно в одном из следующих уроков. А сейчас давайте рассмотрим величину, характеризующую свойство диэлектрической среды, которая называется диэлектрической проницаемостью. Эта величина показывает, во сколько раз кулоновская сила взаимодействия между двумя точечными зарядами в данной среде меньше, чем кулоновская сила взаимодействия этих же зарядов в вакууме:

Таким образом, мы можем записать закон кулона для произвольной среды:

В формулу добавляется диэлектрическая проницаемость, то есть, характеристика среды. Диэлектрические проницаемости многих сред измерены и сведены в таблицы. Эти величины измерены экспериментально, например, с помощью измерения кулоновских сил тех же зарядов в различных средах.

Диэлектрики и проводники в электрическом поле: особенности и поведение

Диэлектрики и проводники в электрическом поле – тема статьи. Ниже рассмотрены физические процессы, происходящие внутри тел и снаружи. Рекомендуется ознакомиться с обзорами на тему электрического потенциала и электрического напряжения.

Электричество и магнетизм

Электричество известно с давних времён, но иных сведений, кроме признания существования, о явлении не приводилось. Узнали лишь, что статический заряд удаётся получить трением, и дело застопорилось. Сложно сказать, что открыто раньше, но геологи считают, что магнетизм известен людям по крайней мере с V века до нашей эры. Находки указывают, что намагниченные куски породы использовались в неизвестных целях на территории современной Турции.

Известно, что систематизация данных по магнетизму началась раньше. Первопроходцем стал известный ныне, благодаря единственному документу, Перегрин. В 1269 году он написал манускрипт, где описал и систематизировал данные по магнитам, предложил методику ориентации для путешественников в пространстве. С латинского «перегринус», «пилигрим» – путешественник. Уже в первые века нашей эры свойство магнита активно эксплуатировалось китайскими мореходами. Перегрин вскрывал ряд свойств:

  1. Магнит всегда располагается по направлению с севера на юг. Следовательно, обнаруживает два полюса. Одноименные отталкиваются, а разноимённые притягиваются.
  2. Если магнит разломить пополам, получается два совершенно отдельных куска, обладающие в полной мере свойствами первоначального. Получить полюс по отдельности простыми средствами не получится.

Что касается электричества, физики отдают несомненный приоритет Гильберту. Этот человек создал трактат, где собрал и систематизировал имеющиеся данные, много экспериментировал самостоятельно. Гильберт, по странному совпадению занялся сравнением магнетизма и электричества. К 1600 году никто не задумывался о связи материй и ничего не мог доказать. Гильберт установил, что электричество – в его понимании – считается слабой субстанцией: заряд легко смывается водой, экранируется и характеризуется малой силой взаимодействия. Для теории и будущих поколений сделал важное наблюдение:

  • Магнитный шар из руды – Гильберт назвал его Тереллой – ведёт себя подобно Земному в смысле действия на стрелку компаса.
  • Электрическое взаимодействие распространяется по прямой. Следовательно, Гильберт оказался первым, кто правильно охарактеризовал силовые линии поля.

Два века понадобилось человечеству, чтобы подобный эффект обнаружить в проводе с током. Сказанное приводит к выводу, что исследования тормозились, вдобавок к инквизиции, отсутствием генератора электричества – не с чем проводить эксперименты. Тереть янтарь шерстью утомительно и малоэффективно. Иллюстрации Гильберта (см. рис.) подтолкнули исследователей к изучению структуры силовых линий, что в будущем помогло объяснить поведение диэлектриков и проводников в магнитном поле.

Гильберту приписывают первую систематизации материалов. Он искал вещества, демонстрирующие способности к электризации, составил списки отличающихся. В последний класс попало большинство металлов, в первый – диэлектрики. Сегодня установлено, что статический заряд распределить возможно практически на любом теле. Но трением приобретают необычные свойства преимущественно диэлектрики. Таким образом, Гильберт первым систематизировал материалы, хотя на момент 1600 года не смог дать удовлетворительные объяснения.

Считается, что первый электростатический генератор изобрёл Отто фон Герике. Серный шар, вращающийся на железной оси, натирали ладонями, наблюдая искры электрического разряда. Герике обнаружил перераспределение статического электричества по поверхности различных тел. На основе созданного генератора стали ставить опыты, к середине XVIII века материалы оказались поделены на классы (проводники и диэлектрики) и по знаку получаемого трением заряда. Появилось смоляное (отрицательное) и стеклянное (положительное) электричество.

Дальнейшие эксперименты позволили при помощи крутильных весов (на тонкой нити) установить закон притяжения и отталкивания между зарядами. Это сделал Шарль Кулон. Он описал количественно силу взаимодействия, подтвердив предположение Гильберта о линейности силовых линий электрических зарядов. На это ушло без малого два века. Закон Кулона позволил учёным дать первые объяснения касательно поведения диэлектриков и проводников в электрическом поле. Уже тогда присутствовало любопытное приспособление, способное удивить и скептика…

Электрофорус

Если поведение диэлектриков в электрическом поле долгое время оставалось неизученным, благодаря металлам Вольта узнал больше об электричестве и позже смог изобрести знаменитый гальванический источник питания. Речь идёт об электрофорусе. Прибор, не слишком известный в России, будоражил умы западных учёных, сегодня служит непременным элементом развлечения студентов. Прибор сейчас покажет (и докажет), как ведут себя проводники в электрическом поле.

Электрофорус – статический генератор с ручным взводом, металлическая печать солидного размера, лучший способ демонстрации статического электричества. Представим, что на круглую подложку из древесины наклеен тончайший лист резины. Вольта говорил, что толстый кусок проявляет худшие свойства. Но не сумел объяснить причину. В давнее время люди не знали, что диэлектрики обладают способностью запасать энергию электрического поля во внутренней структуре. Принцип теперь используется в большинстве конденсаторов.

Тонкий кусок меньше энергии поля поглощал и больше оставлял на поверхности в виде заряда. Трением быстрее доводился до кондиции. Указанный факт отметил Вольта. Требовалось резину натереть. Вольта делал это добрым куском шерсти в течение ряда минут.

Заключительным штрихом конструкции служил тонкий металлический диск, полностью покрывавший резиновый. Толщина выбиралась меньшей, чтобы свойства проводника в электрическом поле проявились ярче. Что происходило в электрофорусе:

  1. Оператор натирал резину до образования плотного статического заряда электронов.
  2. Убирал шерсть и опускал сверху металлический диск.
  3. Проводник электризовался влиянием. Из-за шероховатости поверхности точек соприкосновения оказывалось мало, низ диска заряжался положительно. Это вызвано оттоком электронов, вытолкнутых полем наверх (см. ниже).
  4. Потом оператор кратковременно заземлял верхнюю часть диска лёгким касанием и разрывал поверхности.
  5. На нижней стороне металлической «печати» оставался свободный статический положительный заряд.

Опыт повторялся десятки раз. Очевидцы заявляют о сотнях, а Вольта говорил, что «сложно избавить резину от флюида» и предлагал делать это солнечными лучами, пламенем свечи и прочими сильными средствами. Чтобы понять, как работает электрофорус, нужно иметь представление о поведении проводника в электрическом поле.

Поведение проводника в электрическом поле

Деление на проводники, полупроводники и диэлектрики условное. Нет чёткой границы, градация ведётся по удельной проводимости веществ. Проводники хорошо проводят ток, диэлектрики практически лишены указанного качества.

Рассмотрим случай однородного поля с прямыми и параллельными друг другу силовыми линиями, как в большинстве учебников физики. Помещённый в постоянное поле металл начинает заряжаться статическим электричеством, как описано выше. Смысл: линии напряжённости идут в направлении, куда двигался бы положительный заряд – так решил Франклин. Но электроны отрицательны, плывут против течения.

В результате на образце проводника со стороны истока поля скапливается избыток носителей со знаком минус. А противоположный конец металла положителен. Процесс происходит так:

  1. Поле проникает внутрь металла.
  2. Проводник полон свободных носителей заряда, двигающихся вдоль силовых линий.
  3. Процесс перераспределения идёт, пока собственное поле электронов и свободных орбит атомов не уравновесит внешнее воздействие.
  4. На этом влияние постоянного электрического поля исчерпывается.

Что происходит, если напряжённость поля непостоянна во времени? Допустим, на поверхность падает электромагнитная волна, вызывая попеременное движение электронов в обе стороны, что вызовет ответную электромагнитную волну. Получается, проводник обладает экранирующими свойствами. Отразится лишь половина, это доказывается в теории динамики распространении радиоволн. Чтобы эффект экранирования стал полным, требуется металл заземлить. Что делается на практике.

Поведение диэлектрика в электрическом поле

Стройной теории по поводу поведения диэлектриков в электрическом поле сегодня нет. Физики объясняют происходящее так: в толще вещества присутствуют диполи, образованные сложным строением полимера или аморфного вещества. Размер структур лежит в области нанотехнологий. Молекулы обладают упругими свойствами, проникающее внутрь поле ориентирует их соответствующим образом. Положительная часть смещается по направлению поля, а отрицательная – против.

Диэлектрик способен накапливать энергию поля. Это используется в конденсаторах. Показано, что ёмкость их увеличивается в количество раз, равное диэлектрической проницаемости материала, помещённого между обкладками (для воздуха и вакуума величина равняется 1). Опишем происходящее:

  1. Конденсатор способен зарядиться лишь до уровня приложенного напряжения.
  2. Между обкладками создаётся поле. Уровень его напряжённости вычисляется через разницу электрических потенциалов.
  3. Поле действует на диэлектрик. Диполи внутри начинают ориентироваться так, чтобы с лёгкостью ослабить напряжённость поля.
  4. Как результат, напряжение на обкладках понижается, процесс заряда возобновляется, до достижения лимита, определяемого типом диэлектрика. Речь идёт о проницаемости вещества.

Диэлектрики в свободном состоянии не имеют выраженного заряда, описываемый эффект назван поляризацией – созданием поля. Вращение диполей считается лишь механизмом, проявляющимся при внешнем воздействии. Во вторую очередь, элементарные заряды начинают вдобавок отдаляться друг от друга. Диполь растягивается. Силы упругости вносят лепту в запасание диэлектриком энергии поля.

Статический заряд на материалы нельзя нанести влиянием. Они хорошо электризуются трением и прикосновением. О чем осведомлены инженеры из нефтяного бизнеса. Масса усилий уходит, чтобы не допустить электризации горючего, приводящей к взрывоопасной ситуации. Задача облегчается тем, что заряд стремится расположиться на поверхности вещества. И специальными гребёнками легко производится нейтрализации. Их ставят на пути потока нефти и снимают на заземлитель избыточный заряд.

Dielectrics - The Physics Hypertextbook

Обсуждение

основная идея

Диэлектрики - изоляторы простые и простые. Эти два слова относятся к одному и тому же классу материалов, но имеют разное происхождение и используются преимущественно в разных контекстах.

  • Поскольку в неметаллических твердых телах заряды не могут легко перемещаться, в стекле, керамике и пластике могут быть «островки» заряда. Латинское слово «остров» - insula , от которого происходит слово insulator .Напротив, заряды в металлических твердых телах имеют тенденцию легко перемещаться - как будто кто-то или что-то их ведет. Латинский префикс con или com означает «с». Человек, с которым у вас есть хлеб, - ваш товарищ. (На латыни хлеб - panis ). Взять что-то с собой в дорогу - значит передать это. (Латинское слово обозначает дорогу с по ). Человек, с которым вы путешествуете и который указывает путь или обеспечивает безопасный переход, является кондуктором. (Латинское слово для обозначения лидера - ductor .) Материал, обеспечивающий безопасное прохождение электрических зарядов, - это проводник .
  • Вставка слоя неметаллического твердого вещества между пластинами конденсатора увеличивает его емкость. Греческая приставка di или dia означает «поперек». Линия, пересекающая углы прямоугольника, - это диагональ. (Греческое слово, обозначающее угол - gonia - γωνία.) Измерение поперек круга - это диаметр. (Греческое слово для обозначения меры - метрон - μέτρον.) Материал, помещенный на пластины конденсатора, как небольшой непроводящий мостик, - это диэлектрик .

Пластиковое покрытие электрического шнура является изолятором. Стеклянные или керамические пластины, используемые для поддержки линий электропередач и предотвращения их замыкания на землю, являются изоляторами. Практически всегда, когда неметаллическое твердое тело используется в электрическом устройстве, оно называется изолятором. Возможно, единственный раз, когда слово диэлектрик используется в отношении непроводящего слоя конденсатора.

Диэлектрики в конденсаторах служат трем целям:

  1. , чтобы предотвратить соприкосновение проводящих пластин, что позволяет уменьшить расстояние между пластинами и, следовательно, увеличить емкость;
  2. для увеличения эффективной емкости за счет уменьшения напряженности электрического поля, что означает, что вы получаете тот же заряд при более низком напряжении; и
  3. для уменьшения возможности короткого замыкания из-за искрения (более формально известного как пробой диэлектрика) во время работы при высоком напряжении.

что здесь происходит

Когда металл помещают в электрическое поле, свободные электроны текут против поля, пока не выйдут из проводящего материала. В кратчайшие сроки у нас будет избыток электронов с одной стороны и дефицит с другой. Одна сторона проводника заряжена отрицательно, а другая - положительно. Освободите поле, и электроны на отрицательно заряженной стороне окажутся слишком близко для комфорта. Подобные заряды отталкиваются, и электроны убегают друг от друга так быстро, как только могут, пока не распределятся равномерно по всему телу; в среднем один электрон на каждый протон в пространстве, окружающем каждый атом. Проводящий электрон в металле похож на гоночную собаку, загнанную на пастбище. Они могут свободно передвигаться сколько угодно и могут перемещаться по всей длине, ширине и глубине металла по своей прихоти.

Жизнь электрона в изоляторе гораздо более ограничена. По определению, заряды в изоляторе не могут свободно перемещаться . Это не то же самое, что сказать, что не может двигаться . Электрон в изоляторе похож на сторожевую собаку, привязанную к дереву: он может двигаться свободно, но в определенных пределах.Размещение электронов изолятора в присутствии электрического поля похоже на размещение привязанной собаки в присутствии почтальона. Электроны будут напрягаться против поля, насколько это возможно, почти так же, как наша гипотетическая собака будет напрягаться против своего поводка, насколько это возможно. Однако электроны в атомном масштабе больше похожи на облака, чем на собак. Электрон эффективно распространяется по всему объему атома и не концентрируется в каком-либо одном месте. Полагаю, хорошую атомную собаку нельзя было бы назвать Спотом.

Когда атомы или молекулы диэлектрика помещаются во внешнее электрическое поле, ядра толкаются полем, что приводит к увеличению положительного заряда с одной стороны, в то время как электронные облака притягиваются к нему, что приводит к увеличению отрицательного заряда с другой. боковая сторона. Этот процесс известен как поляризация , а диэлектрический материал в таком состоянии называется поляризованным . Существует два основных метода поляризации диэлектрика: растяжение и вращение.

Растяжение атома или молекулы приводит к индуцированному дипольному моменту , добавленному к каждому атому или молекуле.

Вращение происходит только в полярных молекулах - с постоянным дипольным моментом , как у молекулы воды, показанной на диаграмме ниже.

Полярные молекулы обычно поляризуются сильнее, чем неполярные. Вода (полярная молекула) имеет диэлектрическую прочность в 80 раз больше, чем у азота (неполярная молекула, которая является основным компонентом воздуха).Это происходит по двум причинам, одна из которых обычно тривиальна. Во-первых, все молекулы растягиваются в электрическом поле независимо от того, вращаются они или нет. Неполярные молекулы и атомы растягиваются, в то время как полярные молекулы растягиваются на и градусов. Однако эта комбинация действий лишь незначительно влияет на общую степень поляризации вещества. Что еще более важно, полярные молекулы уже сильно растянуты - естественно. То, как атомы водорода сидят на рукавах электронных облаков атома кислорода, искажает молекулу в диполь.Все это происходит в межатомном или молекулярном масштабе. На таких крошечных расстояниях напряженность электрического поля относительно велика для того, что в противном случае было бы ничем не примечательным напряжением (например, 13,6 В для электрона в атоме водорода).

Когда дело доходит до поляризации, растяжение и вращение - не конец истории. Это просто методы, которые проще всего описать случайному наблюдателю. В общем, поляризация диэлектрического материала представляет собой микроскопическую электростатическую деформацию в ответ на макроскопическое электростатическое напряжение.Внешнее поле, приложенное к диэлектрику, не может заставить заряды двигаться макроскопически, но оно может растягивать и искажать их микроскопически. Он может толкнуть их в неудобное положение, а при отпускании позволить им вернуться в расслабленное состояние. То, что отличает поляризацию в изоляторе от растяжения упругого тела, такого как пружина, заключается в том, что устранение напряжения не обязательно снимает напряжение. Некоторые изоляторы будут оставаться в поляризованном состоянии в течение часов, дней, лет или даже столетий.Наиболее длинные характерные времена должны быть экстраполированы из неполных наблюдений на более разумную продолжительность. Никто не собирается сидеть сложа руки и ждать две тысячи лет, чтобы увидеть, как поляризация куска пластика уменьшится до нуля. Ждать не стоит.

Наконец, важно иметь в виду, что заряды, «хранящиеся» в диэлектрическом слое, не доступны в виде пула свободных зарядов. Для их извлечения еще понадобятся металлические пластины. Важно помнить, что единственная причина, по которой кто-то, кажется, заботится об этом явлении, заключается в том, что он помогает нам создавать лучшие конденсаторы.Я думаю, что на этом обсуждение должно быть завершено.

конденсаторы с диэлектриком

Поместите диэлектрический слой между двумя параллельно заряженными металлическими пластинами, направив электрическое поле справа налево. (Почему не слева направо? Ну, я читаю справа налево, поэтому мне легче «читать» диаграммы.) Положительные ядра диэлектрика будут перемещаться на с полем вправо, а отрицательные электроны переместит против на поле слева.Силовые линии начинаются с положительных зарядов и заканчиваются отрицательными зарядами, поэтому электрическое поле внутри каждого напряженного атома или молекулы диэлектрика указывает на нашей диаграмме слева направо - напротив внешнего поля двух металлических пластин. Электрическое поле - это векторная величина, и когда два вектора указывают в противоположных направлениях, вы вычитаете их величины, чтобы получить результат. Эти два поля не компенсируются в диэлектрике, как в металле, поэтому общий результат - более слабое электрическое поле между двумя пластинами.

Увеличить

Позвольте мне повторить это - общий результат - более слабое электрическое поле между двумя пластинами. Давай займемся математикой.

Электрическое поле - это градиент электрического потенциала (более известного как напряжение).

.
E x = - В
x
E y = - В E = - ∇ V
y
E z = - В
z

Емкость - это отношение заряда к напряжению.

Введение диэлектрика в конденсатор уменьшает электрическое поле, что снижает напряжение, что увеличивает емкость.

.
C 1 ( Q постоянная) С ( d , Q постоянная)
В 1
В E ( d постоянная) E

Конденсатор с диэлектриком сохраняет тот же заряд, что и конденсатор без диэлектрика, но при более низком напряжении.Поэтому конденсатор с диэлектриком более эффективен.

ЭТА МАЛЕНЬКАЯ ЧАСТЬ НУЖДАЕТСЯ В Доработке.

О первых открытиях лейденской банки. Удаление стержня снижает емкость. (Воздух имеет более низкую диэлектрическую проницаемость, чем вода.) Напряжение и емкость обратно пропорциональны, когда заряд постоянен. Уменьшение емкости увеличивает напряжение.

восприимчивость, диэлектрическая проницаемость, диэлектрическая проницаемость

Электрический дипольный момент чего-либо - будь то атом, растянутый во внешнем электрическом поле, полярная молекула или две противоположно заряженные металлические сферы - определяется как продукт заряда и разделения.

p = q r

с единицей СИ, равной кулоновому метру , у которого нет специального названия.

[см = см]

Поляризация области определяется как дипольный момент на единицу объема

с единицей СИ кулонов на квадратный метр .



см = С

м 3 м 2

Расчет поляризации из первых принципов - сложная процедура, которую лучше доверить специалистам.Не беспокойтесь о деталях того, почему поляризация имеет такое значение, просто примите то, что она существует и является функцией некоторых переменных. И что это за переменные? Почему они материальны и конечно же напряженность поля. Различные материалы поляризованы в разной степени - мы будем использовать греческую букву χ e [chi sub e], чтобы обозначить эту величину, известную как электрическая восприимчивость, - но для большинства материалов поле сильнее ( E ) , тем больше поляризация ( P ).Добавьте коэффициент пропорциональности ε 0 , и все готово.

P = ε 0 χ e E

Электрическая восприимчивость - это безразмерный параметр, который зависит от материала. Его значение варьируется от 0 для пустого места до любого другого. Бьюсь об заклад, есть даже некоторые причудливые материалы, для которых этот коэффициент отрицательный (хотя я не знаю наверняка). Константа пропорциональности ε 0 [эпсилон ноль] известна как диэлектрическая проницаемость свободного пространства и будет рассмотрена немного позже.На данный момент это просто приспособление для тренировки единиц.



С = С 2 N

м 2 Н · м 2 С

НАПИШИТЕ ОТДЫХ.

Величина κ [каппа] безразмерна.

Диэлектрическая проницаемость для выбранных материалов (~ 300 K, если не указано иное)
материал κ материал κ
воздух 1.005364 кварц кристаллический (∥) 4,60
уксусная кислота 6,2 кварц кристаллический (⊥) 4,51
спирт этиловый (зерновой) 24,55 кварц плавленый 3,8
спирт метиловый (древесный) 32,70 каучук, бутил 2.4
янтарь 2,8 каучук, неопрен 6,6
асбест 4,0 резина, силикон 3,2
асфальт 2,6 каучук вулканизированный 2,9
бакелит 4,8 соль 5.9
кальцит 8,0 селен 6,0
карбонат кальция 8,7 кремний 11,8
целлюлоза 3,7–7,5 карбид кремния (αSiC) 10,2
цемент ~ 2 кремния диоксид 4.5
кокаин 3,1 силиконовое масло 2,7–2,8
хлопок 1,3 почва 10–20
алмаз, тип I 5,87 титанат стронция, +25 ° C 332
алмаз типа IIa 5,66 титанат стронция, −195 ° C 2080
эбонит 2. 7 сера 3,7
эпоксидная 3,6 пятиокись тантала 27
мука 3-5 тефлон 2,1
фреон 12, -150 ° C (жидкость) 3,5 антимонид олова 147
фреон 12, +20 ° C (пар) 2.4 теллурид олова 1770
германий 16 диоксид титана (рутил) 114
стекло 4–7 табак 1,6–1,7
стекло, пирекс 7740 5,0 диоксид урана 24
гуттаперча 2.6 вакуум 1 (точно)
Реактивное топливо (жиклер А) 1,7 вода, лед, −30 ° C 99
оксид свинца 25,9 вода, жидкость, 0 ° C 87,9
свинец ниобат магния 10 000 вода, жидкость, 20 ° C 80.2
сульфид свинца (галенит) 200 вода, жидкость, 40 ° C 73,2
титанат свинца 200 вода, жидкость, 60 ° C 66,7
дейтерид лития 14,0 вода, жидкость, 80 ° C 60,9
люцит 2.8 вода, жидкость, 100 ° C 55,5
слюда, мусковит 5,4 воск, воск пчелиный 2,7–3,0
слюда канадская 6,9 воск, карнуба 2,9
нейлон 3,5 воск, парафин 2. 1–2.5
масло льняное 3,4 вощеная бумага 3,7
масло минеральное 2,1
масло оливковое 3,1 тканей человека κ
масло нефтяное 2,0–2,2 кость губчатая 26
масло силиконовое 2.5 кость кортикальная 14,5
масло, сперма 3,2 мозг, серое вещество 56
масло трансформаторное 2,2 мозг, белое вещество 43
бумага 3,3, 3,5 мозг, мозговые оболочки 58
оргстекло 3.1 Хрящ общий 22
полиэстер 3,2–4,3 хрящ, ухо 47
полиэтилен 2,26 Глаз, водянистая влага 67
полипропилен 2,2–2,3 глаз, роговица 61
полистирол 2.55 глаз, склера 67
поливинилхлорид (пвх) 4,5 жир 16
фарфор 6–8 мышца гладкая 56
ниобат калия 700 мышца поперечнополосатая 58
танталат ниобат калия, 0 ° C 34 000 скин 33–44
танталат ниобат калия, 20 ° C 6 000 язычок 38

пробой диэлектрика

Любой изолятор можно заставить проводить электричество. Это явление известно как пробой диэлектрика .

Пробой диэлектрика в отдельных материалах
материал поле
(МВ / м)
материал поле
(МВ / м)
воздух 3 бумага 14, 16
янтарь 90 полиэтилен 50, 500–700, 18
бакелит 12, 24 полистирол 24, 25, 400–600
алмаз типа IIa 10 поливинилхлорид (ПВХ) 40
стекло, пирекс 7740 13, 14 фарфор 4, 12
слюда, мусковит 160 кварц плавленый 8
нейлон 14 каучук, неопрен 12, 12
масло силиконовое 15 титанат стронция 8
масло трансформаторное 12, 27 тефлон 60
диоксид титана (рутил) 6

пьезоэффект

Произнесите все гласные.Пьезоэлектричество - это эффект преобразования энергии между механической и электрической формами.

  • Пьезо - греческое слово, обозначающее давление (πιεζω).
  • Обнаружен в 1880-х годах братьями Кюри.
  • Недорогие пьезоэлектрические микрофоны. Когда поляризованный кристалл подвергается напряжению, напряжение создает разность потенциалов. Эта разность потенциалов пропорциональна напряжению, которое пропорционально акустическому давлению.
  • Обратный пьезоэлектрический микрофон - это пьезоэлектрический динамик: зуммер будильника, звонок наручных часов, всевозможные электронные гудки.Когда к поляризованному кристаллу прикладывается электрический потенциал, кристалл подвергается механической деформации, которая, в свою очередь, может создавать акустическое давление.
  • Коллаген пьезоэлектрический. «Когда к [костному] коллагену прикладывается сила, создается небольшой электрический потенциал постоянного тока. Коллаген проводит ток в основном за счет отрицательных зарядов. Минеральные кристаллы кости (апатит), расположенные рядом с коллагеном, проводят ток с помощью положительных зарядов. На стыке из этих двух типов полупроводников ток легко течет в одном направлении, но не в другом….Считается, что силы, действующие на кости, создают потенциалы за счет пьезоэлектрического эффекта и что соединения коллаген-апатит создают токи, которые вызывают и контролируют рост костей. Токи пропорциональны напряжению (сила на единицу площади), поэтому повышенное механическое напряжение костей приводит к усилению роста ". Physics of the Body (255).
Микрофоны и принцип их работы
тип звуков производят
изменений в…
, что вызывает
изменений в…
, в результате чего
изменений…
углерод Плотность гранул сопротивление напряжение
конденсатор разделительная пластина емкость напряжение
динамический Расположение катушки флюс напряжение
пьезоэлектрический компрессия поляризация напряжение

электричество | Определение, факты и типы

Электростатика - это изучение электромагнитных явлений, возникающих при отсутствии движущихся зарядов, т.е.е., после установления статического равновесия. Заряды быстро достигают положения равновесия, потому что электрическая сила чрезвычайно велика. Математические методы электростатики позволяют рассчитывать распределения электрического поля и электрического потенциала по известной конфигурации зарядов, проводников и изоляторов. И наоборот, имея набор проводников с известными потенциалами, можно рассчитать электрические поля в областях между проводниками и определить распределение заряда на поверхности проводников.Электрическую энергию набора зарядов в состоянии покоя можно рассматривать с точки зрения работы, необходимой для сборки зарядов; в качестве альтернативы, можно также считать, что энергия находится в электрическом поле, создаваемом этой сборкой зарядов. Наконец, энергия может храниться в конденсаторе; энергия, необходимая для зарядки такого устройства, хранится в нем как электростатическая энергия электрического поля.

Статическое электричество - это знакомое электрическое явление, при котором заряженные частицы передаются от одного тела к другому.Например, если два предмета трутся друг о друга, особенно если они являются изоляторами, а окружающий воздух сухой, предметы приобретают одинаковые и противоположные заряды, и между ними возникает сила притяжения. Объект, теряющий электроны, становится заряженным положительно, а другой - отрицательно. Сила - это просто притяжение между зарядами противоположного знака. Свойства этой силы описаны выше; они включены в математическое соотношение, известное как закон Кулона.Электрическая сила, действующая на заряд Q 1 в этих условиях из-за заряда Q 2 на расстоянии r , задается законом Кулона

Жирным шрифтом в уравнении обозначается вектор характер силы, а единичный вектор - это вектор, размер которого равен единице, и который указывает от заряда Q 2 до заряда Q 1 . Константа пропорциональности k равна 10 −7 c 2 , где c - скорость света в вакууме; k имеет числовое значение 8.99 × 10 9 ньютонов на квадратный метр на квадратный кулон (Нм 2 / C 2 ). На рисунке 1 показано усилие на Q 1 из-за Q 2 . Числовой пример поможет проиллюстрировать эту силу. И Q 1 и Q 2 выбраны произвольно как положительные заряды, каждый с величиной 10 −6 кулонов. Заряд Q 1 расположен в координатах x , y , z со значениями 0.03, 0, 0 соответственно, а Q 2 имеет координаты 0, 0,04, 0. Все координаты указаны в метрах. Таким образом, расстояние между Q 1 и Q 2 составляет 0,05 метра.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Величина силы F на заряде Q 1 , рассчитанная с использованием уравнения (1), составляет 3,6 ньютона; его направление показано на рисунке 1.Сила на Q 2 из-за Q 1 составляет - F , что также имеет величину 3,6 ньютона; его направление, однако, противоположно направлению F . Сила F может быть выражена через ее компоненты по осям x и y , поскольку вектор силы лежит в плоскости x y . Это делается с помощью элементарной тригонометрии из геометрии рисунка 1, а результаты показаны на рисунке 2.Таким образом, в ньютонах. Закон Кулона математически описывает свойства электрической силы между зарядами в состоянии покоя. Если заряды имеют противоположные знаки, сила будет притягивающей; притяжение было бы указано в уравнении (1) отрицательным коэффициентом единичного вектора r̂. Таким образом, электрическая сила на Q 1 будет иметь направление, противоположное единичному вектору , и будет указывать от Q 1 к Q 2 .В декартовых координатах это привело бы к изменению знаков компонентов силы x и y в уравнении (2).

компоненты кулоновской силы

Рисунок 2: Составляющие x и y силы F на рисунке 4 (см. Текст).

Предоставлено Департаментом физики и астрономии Университета штата Мичиган

Как можно понять эту электрическую силу на Q 1 ? По сути, сила возникает из-за наличия электрического поля в позиции Q 1 .Поле создается вторым зарядом Q 2 и имеет величину, пропорциональную размеру Q 2 . При взаимодействии с этим полем первый заряд на некотором расстоянии либо притягивается, либо отталкивается от второго заряда, в зависимости от знака первого заряда.

Конденсаторы и диэлектрики | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Опишите действие конденсатора и определите емкость.
  • Объясните, почему конденсаторы с параллельными пластинами и их емкости.
  • Обсудите процесс увеличения емкости диэлектрика.
  • Определите емкость при заданном заряде и напряжении.

Конденсатор - это устройство, используемое для хранения электрического заряда. Конденсаторы имеют различные применения: от фильтрации статического электричества при радиосигнале до накопления энергии в дефибрилляторах сердца. Обычно в промышленных конденсаторах две проводящие части расположены близко друг к другу, но не соприкасаются, как показано на рисунке 1.(В большинстве случаев между двумя пластинами используется изолятор для обеспечения разделения - см. Обсуждение диэлектриков ниже.) Когда клеммы батареи подключены к первоначально незаряженному конденсатору, равные количества положительного и отрицательного заряда, + Q и - Q , разделены на две пластины. Конденсатор в целом остается нейтральным, но в этом случае мы называем его хранящим заряд Q .

Рис. 1. Оба конденсатора, показанные здесь, были изначально разряжены перед подключением к батарее.Теперь у них есть разделенные заряды + Q и - Q на своих двух половинах. (а) Конденсатор с параллельными пластинами. (b) Скрученный конденсатор с изоляционным материалом между двумя проводящими листами.

Конденсатор

Конденсатор - это устройство, используемое для хранения электрического заряда.

Количество заряда Q , которое может хранить конденсатор , зависит от двух основных факторов - приложенного напряжения и физических характеристик конденсатора, таких как его размер.

Количество заряда

Q Конденсатор может хранить

Количество заряда Q , которое может хранить конденсатор , зависит от двух основных факторов - приложенного напряжения и физических характеристик конденсатора, таких как его размер.

Рис. 2. Силовые линии электрического поля в этом конденсаторе с параллельными пластинами, как всегда, начинаются с положительных зарядов и заканчиваются отрицательными. Поскольку напряженность электрического поля пропорциональна плотности силовых линий, она также пропорциональна количеству заряда на конденсаторе.

Система, состоящая из двух идентичных параллельных проводящих пластин, разделенных расстоянием, как на рисунке 2, называется конденсатором с параллельными пластинами . Легко увидеть взаимосвязь между напряжением и накопленным зарядом для конденсатора с параллельными пластинами, как показано на рисунке 2. Каждая линия электрического поля начинается с отдельного положительного заряда и заканчивается отрицательным, так что поля будет больше. линии, если есть больше заряда. (Рисование одной линии поля для каждой зарядки - это только удобство.Мы можем нарисовать много силовых линий для каждого заряда, но их общее количество пропорционально количеству зарядов). Таким образом, напряженность электрического поля прямо пропорциональна Q .

Поле пропорционально начислению:

E Q ,

, где символ ∝ означает «пропорционально». Из обсуждения в разделе «Электрический потенциал в однородном электрическом поле» мы знаем, что напряжение на параллельных пластинах равно

.

V = Ed .

Таким образом, V E . Отсюда следует, что V Q и, наоборот,

Q V .

В целом это верно: чем больше напряжение, приложенное к любому конденсатору, тем больше в нем хранится заряд.

Различные конденсаторы будут накапливать разное количество заряда для одного и того же приложенного напряжения, в зависимости от их физических характеристик. Мы определяем их емкость C так, чтобы заряд Q , хранящийся в конденсаторе, был пропорционален C .Заряд, накопленный в конденсаторе, равен

.

Q = CV .

Это уравнение выражает два основных фактора, влияющих на количество накопленного заряда. Этими факторами являются физические характеристики конденсатора C и напряжение В . Изменив уравнение, мы видим, что емкость C - это величина заряда, накопленного на вольт, или

.

[латекс] C = \ frac {Q} {V} \\ [/ latex].

Емкость

Емкость C - величина накопленного заряда на вольт, или

[латекс] C = \ frac {Q} {V} \\ [/ latex]

Единица измерения емкости - фарад (Ф), названная в честь Майкла Фарадея (1791–1867), английского ученого, внесшего вклад в области электромагнетизма и электрохимии. Поскольку емкость - это заряд на единицу напряжения, мы видим, что фарад - это кулон на вольт, или

.

[латекс] 1 \ text {F} = \ frac {1 \ text {C}} {1 \ text {V}} \\ [/ latex].

Конденсатор емкостью 1 фарад может хранить 1 кулон (очень большое количество заряда) при подаче всего 1 вольт. Таким образом, одна фарада - это очень большая емкость. Типичный диапазон конденсаторов составляет от долей пикофарада (1 пФ = 10 −12 Ф) до миллифарадов (1 мФ = 10 −3 Ф).

На рисунке 3 показаны некоторые распространенные конденсаторы. Конденсаторы в основном изготавливаются из керамики, стекла или пластика, в зависимости от назначения и размера. Как обсуждается ниже, в их конструкции обычно используются изоляционные материалы, называемые диэлектриками.

Рисунок 3. Некоторые типовые конденсаторы. Размер и значение емкости не обязательно связаны. (Источник: Windell Oskay)

Параллельный пластинчатый конденсатор

Рис. 4. Конденсатор с параллельными пластинами, расстояние между пластинами которых составляет d. Каждая пластина имеет площадь A.

Конденсатор с параллельными пластинами, показанный на рисунке 4, имеет две идентичные проводящие пластины, каждая из которых имеет площадь поверхности A, , разделенную расстоянием d (без материала между пластинами).Когда на конденсатор подается напряжение В, , он сохраняет заряд Q , как показано. Мы можем увидеть, как его емкость зависит от A и d , рассмотрев характеристики кулоновской силы. Мы знаем, что одинаковые заряды отталкиваются, в отличие от зарядов притягиваются, и сила между зарядами уменьшается с расстоянием. Поэтому кажется вполне разумным, что чем больше пластины, тем больше заряда они могут хранить, потому что заряды могут расходиться больше. Таким образом, C должен быть больше для более крупного A .Точно так же, чем ближе пластины расположены друг к другу, тем сильнее на них притяжение противоположных зарядов. Значит, C должно быть больше для меньшего d .

Можно показать, что для конденсатора с параллельными пластинами есть только два фактора ( A, и d ), которые влияют на его емкость C . Емкость конденсатора с параллельными пластинами в форме уравнения равна

.

[латекс] C = \ epsilon_ {o} \ frac {A} {d} \\ [/ latex].

Емкость параллельного пластинчатого конденсатора

[латекс] C = \ epsilon_ {o} \ frac {A} {d} \\ [/ latex]

A - это площадь одной пластины в квадратных метрах, а d - это расстояние между пластинами в метрах.Константа ε 0 - диэлектрическая проницаемость свободного пространства; его числовое значение в единицах СИ составляет ε 0 = 8,85 × 10 −12 Ф / м. Единицы измерения Ф / м эквивалентны C 2 / Н · м 2 . Небольшое числовое значение ε 0 связано с большим размером фарада. Конденсатор с параллельными пластинами должен иметь большую площадь, чтобы его емкость приближалась к фараду. (Обратите внимание, что приведенное выше уравнение действительно, когда параллельные пластины разделены воздухом или свободным пространством.Когда между пластинами помещается другой материал, уравнение изменяется, как обсуждается ниже.)

Пример 1. Емкость и заряд в параллельном пластинчатом конденсаторе

  1. Какова емкость конденсатора с параллельными пластинами, каждая из которых имеет площадь 1,00 м 2 , разделенных расстоянием 1,00 мм?
  2. Какой заряд хранится в этом конденсаторе, если к нему приложено напряжение 3,00 × 10 3 В?
Стратегия

Определение емкости C представляет собой прямое приложение уравнения [латекс] C = \ epsilon_ {o} \ frac {A} {d} \\ [/ latex].{-9} \ text {F} = 8.85 \ text {nF} \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение части 1

Это небольшое значение емкости указывает на то, насколько сложно сделать устройство с большой емкостью. Помогают специальные методы, например, использование тонких пленок очень большой площади, расположенных близко друг к другу.

Решение для Части 2

Заряд любого конденсатора определяется уравнением Q = CV . {6} \ text {V / m} \\ [/ latex]

Этого электрического поля достаточно, чтобы вызвать пробой в воздухе.

Диэлектрик

Предыдущий пример подчеркивает сложность сохранения большого количества заряда в конденсаторах. Если d сделать меньше, чтобы получить большую емкость, то максимальное напряжение должно быть уменьшено пропорционально, чтобы избежать пробоя (поскольку [латекс] E = \ frac {V} {d} \\ [/ latex]). Важным решением этой проблемы является размещение изоляционного материала, называемого диэлектриком , между пластинами конденсатора и обеспечение минимально возможного размера d .Мало того, что меньший d увеличивает емкость, многие изоляторы могут выдерживать более сильные электрические поля, чем воздух, перед тем, как сломаться.

Есть еще одно преимущество использования диэлектрика в конденсаторе. В зависимости от используемого материала емкость больше, чем та, которая определяется уравнением [латекс] C = \ kappa \ epsilon_ {0} \ frac {A} {d} \\ [/ latex], на коэффициент κ , называемый диэлектрическая проницаемость . Конденсатор с параллельными пластинами с диэлектриком между пластинами имеет емкость, равную [латекс] C = \ kappa \ epsilon_ {0} \ frac {A} {d} \\ [/ latex] (конденсатор с параллельными пластинами с диэлектриком).

Значения диэлектрической проницаемости κ для различных материалов приведены в таблице 1. Обратите внимание, что κ для вакуума равно 1, поэтому приведенное выше уравнение справедливо и в этом случае. Если использовать диэлектрик, например, поместив тефлон между пластинами конденсатора в примере 1, то емкость будет больше в κ раз, что для тефлона составляет 2,1.

Эксперимент на вынос: создание конденсатора

Насколько большой конденсатор можно сделать из обертки от жевательной резинки? Пластины будут из алюминиевой фольги, а разделитель (диэлектрик) между ними - из бумаги.

Таблица 1. Диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая прочность для различных материалов при 20ºC
Материал Диэлектрическая проницаемость κ Диэлектрическая прочность (В / м)
Вакуум 1,00000
Воздух 1.00059 3 × 10 6
Бакелит 4,9 24 × 10 6
Плавленый кварц 3.78 8 × 10 6
Неопреновый каучук 6,7 12 × 10 6
Нейлон 3,4 14 × 10 6
Бумага 3,7 16 × 10 6
Полистирол 2,56 24 × 10 6
Стекло Pyrex 5,6 14 × 10 6
Кремниевое масло 2.5 15 × 10 6
Титанат стронция 233 8 × 10 6
тефлон 2,1 60 × 10 6
Вода 80

Обратите внимание, что диэлектрическая проницаемость воздуха очень близка к 1, так что конденсаторы, заполненные воздухом, действуют так же, как конденсаторы с вакуумом между пластинами , за исключением , что воздух может стать проводящим, если напряженность электрического поля становится равной. слишком большой.(Напомним, что [латекс] E = \ frac {V} {d} \\ [/ latex] для конденсатора с параллельными пластинами.) Также в таблице 1 показаны максимальные напряженности электрического поля в В / м, которые называются диэлектрической прочностью , для нескольких материалов. Это поля, над которыми материал начинает разрушаться и проводить. 6 \ text {V / m} \ right) \ left ( 1.{-3} \ text {m} \ right) \\\ text {} & = & 3000 \ text {V} \ end {array} \\ [/ latex]

Однако предел для расстояния 1,00 мм, заполненного тефлоном, составляет 60 000 В, поскольку диэлектрическая прочность тефлона составляет 60 × 10 6 В / м. Таким образом, тот же конденсатор, заполненный тефлоном, имеет большую емкость и может подвергаться гораздо большему напряжению. Используя емкость, которую мы рассчитали в приведенном выше примере для конденсатора с параллельными пластинами, заполненного воздухом, мы обнаружили, что конденсатор с тефлоновым заполнением может хранить максимальный заряд

[латекс] \ begin {array} {lll} Q & = & CV \\\ text {} & = & \ kappa {C} _ {\ text {air}} V \\\ text {} & = & (2.4 \ text {V}) \\\ text {} & = & 1.1 \ text {mC} \ end {array} \\ [/ latex]

Это в 42 раза больше заряда того же конденсатора, заполненного воздухом.

Диэлектрическая прочность

Максимальная напряженность электрического поля, при превышении которой изоляционный материал начинает разрушаться и становится проводником, называется его диэлектрической прочностью.

Микроскопически, как диэлектрик увеличивает емкость? За это отвечает поляризация изолятора. Чем легче он поляризуется, тем больше его диэлектрическая проницаемость κ .Вода, например, представляет собой полярную молекулу , потому что один конец молекулы имеет небольшой положительный заряд, а другой конец имеет небольшой отрицательный заряд. Полярность воды обуславливает ее относительно большую диэлектрическую проницаемость, равную 80. Эффект поляризации лучше всего объясняется характеристиками кулоновской силы. На рис. 5 схематично показано разделение зарядов в молекулах диэлектрического материала, помещенных между заряженными пластинами конденсатора. Кулоновская сила между ближайшими концами молекул и зарядом на пластинах притягивает и очень сильна, поскольку они расположены очень близко друг к другу.Это притягивает больше заряда к пластинам, чем если бы пространство было пустым, а противоположные заряды находились на расстоянии d от.

Рис. 5. (a) Молекулы изоляционного материала между пластинами конденсатора поляризованы заряженными пластинами. Это создает слой противоположного заряда на поверхности диэлектрика, который притягивает больше заряда к пластине, увеличивая ее емкость. (б) Диэлектрик снижает напряженность электрического поля внутри конденсатора, что приводит к уменьшению напряжения между пластинами при одинаковом заряде.Конденсатор сохраняет тот же заряд при меньшем напряжении, что означает, что он имеет большую емкость из-за диэлектрика.

Другой способ понять, как диэлектрик увеличивает емкость, - это рассмотреть его влияние на электрическое поле внутри конденсатора. На рисунке 5 (b) показаны силовые линии электрического поля с установленным диэлектриком. Поскольку силовые линии заканчиваются зарядами в диэлектрике, их меньше, идущих от одной стороны конденсатора к другой. Таким образом, напряженность электрического поля меньше, чем если бы между пластинами был вакуум, даже если бы на пластинах был одинаковый заряд.Напряжение между пластинами составляет В, = Ед, , поэтому оно тоже снижается за счет диэлектрика. Таким образом, есть меньшее напряжение В, для того же заряда Q ; поскольку [латекс] C = \ frac {Q} {V} \\ [/ latex], емкость C больше.

Диэлектрическая проницаемость обычно определяется как [латекс] \ kappa = \ frac {E_0} {E} \\ [/ latex], или отношение электрического поля в вакууме к электрическому полю в диэлектрическом материале, и в конечном итоге связанных с поляризуемостью материала.

Великие и малые вещи: субмикроскопическое происхождение поляризации

Поляризация - это разделение зарядов внутри атома или молекулы. Как уже отмечалось, планетарная модель атома описывает его как имеющее положительное ядро, вращающееся по орбите отрицательными электронами, аналогично планетам, вращающимся вокруг Солнца. Хотя эта модель не совсем точна, она очень полезна для объяснения широкого круга явлений и будет уточнена в других местах, например, в атомной физике. Субмикроскопическое происхождение поляризации можно смоделировать, как показано на рисунке 6.

Рис. 6. Художественное представление о поляризованном атоме. Орбиты электронов вокруг ядра слегка смещены внешними зарядами (показаны в преувеличении). Получающееся разделение зарядов внутри атома означает, что он поляризован. Обратите внимание, что непохожий заряд теперь ближе к внешним зарядам, вызывая поляризацию.

В атомной физике мы обнаружим, что орбиты электронов более правильно рассматривать как электронные облака с плотностью облака, связанной с вероятностью обнаружения электрона в этом месте (в отличие от определенных местоположений и путей движения планет на их орбитах). вокруг Солнца).Это облако сдвигается кулоновской силой, так что в среднем атом имеет разделенный заряд. Хотя атом остается нейтральным, теперь он может быть источником кулоновской силы, поскольку заряд, поднесенный к атому, будет ближе к одному типу заряда, чем к другому.

Некоторым молекулам, например молекулам воды, присуще разделение зарядов, поэтому они называются полярными молекулами. На рисунке 7 показано разделение зарядов в молекуле воды, которая имеет два атома водорода и один атом кислорода (H 2 O).Молекула воды несимметрична - атомы водорода отталкиваются в одну сторону, придавая молекуле форму бумеранга. Электроны в молекуле воды более сконцентрированы вокруг более заряженного ядра кислорода, чем вокруг ядер водорода. Это делает кислородный конец молекулы слегка отрицательным, а водородный конец - слегка положительным. Внутреннее разделение зарядов в полярных молекулах облегчает их выравнивание с внешними полями и зарядами. Следовательно, полярные молекулы проявляют более сильные поляризационные эффекты и имеют более высокие диэлектрические проницаемости.Те, кто изучает химию, обнаружат, что полярная природа воды имеет множество эффектов. Например, молекулы воды собирают ионы гораздо эффективнее, потому что у них есть электрическое поле и разделение зарядов для притяжения зарядов обоих знаков. Кроме того, как было показано в предыдущей главе, полярная вода обеспечивает защиту или экранирование электрических полей в сильно заряженных молекулах, представляющих интерес в биологических системах.

Рис. 7. Художественная концепция молекулы воды. Существует внутреннее разделение зарядов, поэтому вода - полярная молекула.Электроны в молекуле притягиваются к ядру кислорода и оставляют избыток положительного заряда около двух ядер водорода. (Обратите внимание, что схема справа является приблизительной иллюстрацией распределения электронов в молекуле воды. Она не показывает фактическое количество протонов и электронов, участвующих в структуре.)

Исследования PhET: лаборатория конденсаторов

Узнайте, как работает конденсатор! Измените размер пластин и добавьте диэлектрик, чтобы увидеть влияние на емкость.Измените напряжение и посмотрите, как на пластинах накапливаются заряды. Наблюдайте за электрическим полем в конденсаторе. Измерьте напряжение и электрическое поле.

Щелкните, чтобы загрузить симуляцию. Запускать на Java.

Сводка раздела

  • Конденсатор - это устройство, используемое для хранения заряда.
  • Количество заряда Q , которое может хранить конденсатор, зависит от двух основных факторов - приложенного напряжения и физических характеристик конденсатора, таких как его размер.
  • Емкость C - это количество заряда, накопленного на вольт, или [латекс] C = \ frac {Q} {V} \\ [/ latex].
  • Емкость конденсатора с параллельными пластинами составляет [латекс] C = {\ epsilon} _ {0} \ frac {A} {d} \\ [/ latex], когда пластины разделены воздухом или свободным пространством. [latex] {\ epsilon} _ {\ text {0}} [/ latex] называется диэлектрической проницаемостью свободного пространства.
  • Конденсатор с параллельными пластинами с диэлектриком между пластинами имеет емкость, определяемую выражением [латекс] C = \ kappa \ epsilon_ {0} \ frac {A} {d} \\ [/ latex], где κ - диэлектрик. константа материала.
  • Максимальная напряженность электрического поля, при превышении которой изолирующий материал начинает разрушаться и становится проводником, называется диэлектрической прочностью.

Концептуальные вопросы

  1. Зависит ли емкость устройства от приложенного напряжения? А как насчет хранящегося в нем заряда?
  2. Используйте характеристики кулоновской силы, чтобы объяснить, почему емкость должна быть пропорциональна площади пластины конденсатора. Аналогичным образом объясните, почему емкость должна быть обратно пропорциональна расстоянию между пластинами.
  3. Объясните причину, по которой диэлектрический материал увеличивает емкость по сравнению с тем, что было бы с воздухом между пластинами конденсатора.Какова независимая причина того, что диэлектрический материал также позволяет приложить большее напряжение к конденсатору? (Таким образом, диэлектрик увеличивает C и допускает более V .)
  4. Как полярный характер молекул воды помогает объяснить относительно большую диэлектрическую проницаемость воды? (См. Рисунок 7.)
  5. Искры возникают между пластинами заполненного воздухом конденсатора при более низком напряжении, когда воздух влажный, чем когда сухой. Объясните почему, учитывая полярный характер молекул воды.
  6. Вода имеет большую диэлектрическую проницаемость, но редко используется в конденсаторах. Объяснить, почему.
  7. Мембраны в живых клетках, в том числе в человеческих, характеризуются разделением заряда через мембрану. Таким образом, мембраны представляют собой заряженные конденсаторы, важные функции которых связаны с разностью потенциалов на мембране. Требуется ли энергия для разделения этих зарядов в живых мембранах, и если да, то является ли ее источником метаболизм пищевой энергии или каким-либо другим источником?

Рисунок 8.Полупроницаемая мембрана клетки имеет разную концентрацию ионов внутри и снаружи. Диффузия перемещает ионы K + (калий) и Cl - (хлорид) в показанных направлениях, пока кулоновская сила не остановит дальнейший перенос. Это приводит к слою положительного заряда снаружи, слою отрицательного заряда внутри и, следовательно, к напряжению на клеточной мембране. Мембрана обычно непроницаема для Na + (ионы натрия).

Задачи и упражнения

  1. Какой заряд накапливается в конденсаторе 180 мкФ при подаче на него 120 В?
  2. Найдите накопленный заряд, когда 5.50 В подается на конденсатор емкостью 8,00 пФ.
  3. Какой заряд хранится в конденсаторе в Примере 1?
  4. Рассчитайте напряжение, приложенное к конденсатору 2,00 мкФ, когда он имеет заряд 3,10 мкКл.
  5. Какое напряжение необходимо приложить к конденсатору 8,00 нФ для накопления заряда 0,160 мкКл?
  6. Какая емкость необходима для хранения заряда 3,00 мкКл при напряжении 120 В?
  7. Какая емкость терминала большого генератора Ван-де-Граафа, учитывая, что он хранит 8?00 мкКл заряда при напряжении 12,0 МВ?
  8. Найдите емкость конденсатора с параллельными пластинами, площадь пластин которого составляет 5,00 м 2 , разделенных слоем тефлона 0,100 мм.
  9. (a) Какова емкость конденсатора с параллельными пластинами, площадь пластин которого составляет 1,50 м 2 , разделенных 0,0200 мм неопренового каучука? (b) Какой заряд он держит, когда к нему приложено 9,00 В?
  10. Комплексные концепции. Шутник подает 450 В на 80.Конденсатор 0 мкФ, а затем бросает его ничего не подозревающей жертве. Палец пострадавшего обгорел от разряда конденсатора через 0,200 г мяса. Какое повышение температуры мяса? Разумно ли предполагать отсутствие изменения фазы?
  11. Необоснованные результаты. (a) Определенный конденсатор с параллельными пластинами имеет пластины площадью 4,00 м 2 , разделенные 0,0100 мм нейлона, и накапливает 0,170 Кл заряда. Какое приложенное напряжение? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие допущения являются ответственными или противоречивыми?

Глоссарий

конденсатор: устройство, накапливающее электрический заряд

емкость: количество накопленного заряда на единицу вольт

диэлектрик: изоляционный материал

диэлектрическая прочность: максимальное электрическое поле, выше которого изоляционный материал начинает разрушаться и проводить

Конденсатор с параллельными пластинами: две идентичные проводящие пластины, разделенные расстоянием

полярная молекула: молекула с внутренним разделением заряда

Избранные решения проблем и упражнения

1.21,6 мС

3. 80.0 мС

5. 20,0 кВ

7. 667 пФ

9. (а) 4,4 мкФ; (б) 4.0 × 10 −5 C

11. (а) 14,2 кВ; (b) Напряжение неоправданно велико, более чем в 100 раз больше напряжения пробоя нейлона; (c) Предполагаемый заряд неоправданно велик и не может храниться в конденсаторе таких размеров.

Диэлектрическая поляризация - Разработка LibreTexts

Диэлектрическая поляризация возникает, когда в изоляционном материале формируется дипольный момент из-за приложенного извне электрического поля.Когда ток взаимодействует с диэлектрическим (изолирующим) материалом, диэлектрический материал реагирует сдвигом в распределении зарядов, при этом положительные заряды выравниваются с электрическим полем, а отрицательные заряды выравниваются против него. Воспользовавшись этой реакцией, можно создать важные элементы схемы, такие как конденсаторы.

Введение

Диэлектрическая поляризация - это термин, используемый для описания поведения материала при приложении к нему внешнего электрического поля.Простую картину можно сделать на примере конденсатора. На рисунке ниже показан пример диэлектрического материала между двумя проводящими параллельными пластинами. Заряды в материале будут реагировать на электрическое поле, создаваемое пластинами.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Связанные заряды - это заряды, которые касаются пластин конденсатора, в то время как свободные заряды обычно плавают в материале, но в этом случае они выровнены со связанными зарядами.

Используя модель конденсатора, можно определить относительную диэлектрическую проницаемость или диэлектрическую проницаемость материала, задав его относительную диэлектрическую проницаемость, эквивалентную отношению измеренной емкости и емкости испытательного конденсатора, которая также равна абсолютной диэлектрической проницаемости. материала, деленного на диэлектрическую проницаемость вакуума.

\ [\ epsilon_r = \ dfrac {Q} {Q_0} = \ frac {C} {C_o} = \ frac {\ epsilon} {\ epsilon_0} \ label {1} ​​\]

Диэлектрическая проницаемость - важный термин, потому что другой термин, известный как электронная поляризуемость или \ (\ alpha_e \), может быть связан с диэлектрической проницаемостью. Электронная поляризуемость - это явление микроскопической поляризации, которое возникает во всех материалах и является одним из основных механизмов, управляющих диэлектрической поляризацией.

Чтобы объяснить, как диэлектрическая проницаемость связана с электронной поляризуемостью материала, необходимо определить поляризацию или P материала.Поляризация материала определяется как полный дипольный момент на единицу объема, и его уравнение:

\ [P = N \ alpha_e E = \ chi_e \ epsilon_0 E \ label {2} \]

, где термин \ (\ chi \) известен как электрическая восприимчивость материала, определяемая уравнением \ (\ chi = \ epsilon_r - 1 \). Затем, подставляя \ (\ epsilon_r - 1 \) вместо \ (\ chi \), определяется уравнение, связывающее относительную диэлектрическую проницаемость и электронную поляризуемость. \ [\ epsilon_r = 1 + \ frac {N \ epsilon_e} {\ epsilon_0} \] Где N - количество молекул в единице объема.

Хотя это уравнение действительно связывает диэлектрическую проницаемость с электронной поляризуемостью, оно представляет только материал в целом и не учитывает локальное поле или поле, испытываемое молекулой в диэлектрике. Это поле известно как поле Лоренца, и уравнение для его определения задается как

.

\ [E_ {loc} = E + \ frac {1} {3 \ epsilon_0} P \ label {3} \]

и путем обратной замены этого значения на поле, используемое в предыдущем методе, определяется следующее уравнение

\ [\ dfrac {\ epsilon_r - 1} {\ epsilon_r + 2} = \ frac {N \ alpha_e} {3 \ epsilon_0} \ label {4}.\]

Это уравнение известно как уравнение Клаузиуса-Моссотти и является способом обмена между микроскопическими свойствами электронной диэлектрической проницаемости и диэлектрической проницаемостью. Помимо знания электронной поляризуемости материала, существуют также другие субфакторы, такие как химический состав и тип связи, которые определяют общее диэлектрическое поведение материала. Однако электронная поляризация всегда присуща диэлектрическому материалу.

Ионная поляризация

Ионная поляризация - это механизм, влияющий на относительную диэлектрическую проницаемость материала.Этот тип поляризации обычно возникает в ионных кристаллических элементах, таких как NaCl, KCl и LiBr. В этих материалах нет чистой поляризации в отсутствие внешнего электрического поля, потому что дипольные моменты отрицательных ионов компенсируются положительными ионами. Однако при приложении внешнего поля ионы смещаются, что приводит к индуцированной поляризации. На рис. 2 показано смещение ионов из-за этого внешнего электрического поля.

Рис. 2: Влияние внешнего электрического поля на ионный материал.Положительные заряды будут течь вместе с полем, а отрицательные заряды будут течь против поля, в результате чего образуется чистый средний дипольный момент на ион.

Уравнение для описания этого эффекта:,

\ [P_av = \ alpha_i E_ {loc} \ label {5} \]

Где P av - наведенный средний дипольный момент на пару ионов, \ (\ alpha_i \) - ионная поляризуемость, а E - локальное электрическое поле, испытываемое парой ионов. Обычно ионная поляризуемость в 10 раз больше электронной поляризуемости, что приводит к ионным веществам, имеющим высокие диэлектрические постоянные.Подобно электронной поляризации, ионная поляризация также связана с полной поляризацией. Уравнение дается

\ [P = N_i P_ {av} = N_i \ alpha_i E_ {loc} \ label {6} \]

, что также приведет к уравнению Клаузиуса-Моссотти для ионной поляризации,

\ [\ frac {\ epsilon_r - 1} {\ epsilon_r + 2} = \ frac {1} {3 \ epsilon_0} N_i \ alpha_i \ label {7} \]

Обратите внимание, что эти уравнения предполагают наличие баланса заряда внутри ионного материала (например,NaCl), тогда как при наличии дисбаланса зарядов, например, в таких материалах, как CaF 2 , необходимо использовать другую систему уравнений.

Ориентационная поляризация

Ориентационная поляризация возникает, когда в материале есть постоянный дипольный момент. Такие материалы, как HCl и H 2 O будут иметь чистый постоянный дипольный момент, потому что распределение заряда этих молекул искажено. Например, в молекуле HCl атом хлора будет заряжен отрицательно, а атомы водорода будут заряжены положительно, что сделает молекулу диполярной.Диполярная природа молекулы должна вызывать дипольный момент в материале, однако в отсутствие электрического поля дипольный момент компенсируется тепловым перемешиванием, что приводит к общему нулевому дипольному моменту на молекулу. Однако при приложении электрического поля молекула начнет вращаться, чтобы выровнять молекулу с полем, вызывая суммарный средний дипольный момент на молекулу, как показано на рисунке 4.

Рис. 3. Влияние электрического поля на типичную дипольную молекулу.P 0 символизирует дипольный момент, a - расстояние от центра тела молекулы, а F - сила, которая равна заряду Q, умноженному на электрическое поле, E.

Рис. 4: На рисунке показано, как можно заставить молекулы с тепловым возбуждением (слева) создавать суммарный дипольный момент на ион в материале с помощью приложенного извне поля (справа).

Чтобы определить, соответствует ли индуцированный средний дипольный момент вдоль электрического поля, необходимо вычислить среднюю потенциальную энергию диполя и сравнить со средней тепловой энергией \ (\ frac {1} {5} kT \), определенной термодинамикой. для пяти степеней свободы.Для этого Сила F на рисунке 3 может быть рассмотрена как крутящий момент \ (\ tau \), действующий на твердое тело диполярной молекулы. Используя эту модель, уравнение для крутящего момента дается

\ [\ tau = (F sin \ theta) a = EP_0 sin (\ theta) \ label {8} \]

, где P 0 определяется как \ (P_0 = aQ \). Из этого уравнения можно рассчитать максимальную потенциальную энергию, взяв интеграл в момент максимального крутящего момента. Эта максимальная потенциальная энергия вычисляется как \ (2P_0 E \), что затем означает, что средняя дипольная потенциальная энергия равна \ (\ frac {1} {2} E_ {max} \) или \ (P_0E \).2} {3kt} \] Уравнение для ориентационной поляризуемости показывает, что в отличие от электронной поляризуемости и ионной поляризуемости, ориентационная поляризуемость зависит от температуры. Это важный фактор, который следует учитывать при выборе диэлектрического материала для электронных и оптических приложений.

Межфазная поляризация

Межфазная поляризация или поляризация пространственного заряда возникает, когда происходит накопление заряда на границе раздела между двумя материалами или между двумя областями внутри материала из-за внешнего поля.Это может происходить, когда есть составной диэлектрик или когда два электрода соединены с диэлектрическим материалом. Этот тип электрической поляризации отличается от ориентационной и ионной поляризации, потому что вместо воздействия на связанные положительные и отрицательные заряды, то есть на ионные и ковалентные связанные структуры, межфазная поляризация также влияет на свободные заряды. В результате межфазная поляризация обычно наблюдается в аморфных или поликристаллических твердых телах. На рисунке 5 показан пример того, как свободные заряды могут накапливаться в поле, вызывая межфазную поляризацию.Электрическое поле вызовет дисбаланс заряда из-за изолирующих свойств диэлектрического материала. Однако подвижные заряды в диэлектрике будут мигрировать сверх нейтральности заряда. Затем это вызывает межфазную поляризацию.

Рис. 5: Здесь показано, как свободные положительные заряды внутри диэлектрического материала мигрируют в сторону накопления отрицательного заряда справа, вызванного внешним электрическим полем.

Уравнение для отображения константы поляризуемости пространственного заряда: \ [\ alpha_c = \ alpha - \ alpha _ {\ infty} - \ alpha_0 \], где \ (\ alpha_c \) - поляризуемость пространственного заряда, а \ (\ alpha \), \ (\ alpha _ {\ infty} \) и \ (\ alpha_0 \) относятся к полной, электронной и ориентационной поляризациям соответственно.Важно отметить, что поскольку заряды являются свободными зарядами, дефекты, такие как границы зерен или другие поверхности раздела, могут служить средой для формирования межфазной поляризуемости.

Затем из уравнения поляризации пространственного заряда определяется, что общая величина диэлектрической поляризации в материале является суммой электронной, ориентационной и межфазной поляризуемостей, или \ (\ alpha = \ alpha_c + \ alpha _ {\ infty } + \ alpha_0 \).

Вопросы

  1. Что вносит больший вклад в общую поляризацию в сбалансированном ионном материале (т.е.е. KCl). ионная поляризация или электронная поляризация?
  2. Какова абсолютная диэлектрическая проницаемость тефлона, если его диэлектрическая проницаемость составляет 2,1 при комнатной температуре ниже 1 кГц?
  3. Рассчитайте общую поляризуемость материала, когда ионная поляризуемость равна 0, ориентационная поляризуемость составляет 15 см 2 , а межфазная поляризация составляет 3 см 2 ?

Ответы

  1. Ионная поляризация примерно в 10 раз сильнее электронной поляризации для сбалансированных ионных структур.
  2. \ (\ epsilon_r = \ frac {\ epsilon} {\ epsilon_0} \), поэтому ответ - 2,1.
  3. 5 + 3 = 18, поэтому 18 см 2 .

Список литературы

  1. Bunget, I. & Popescu, M. (1984). Физика твердых диэлектриков . Амстердам: Эльзевир.
  2. Као, К. (2004). Диэлектрические явления в твердых телах с акцентом на физические концепции электронных процессов . Амстердам: Academic Press.
  3. Kasap, S. (2006). Принципы электронных материалов и устройств (3-е изд.). Бостон: Макгроу-Хилл.

Авторы и авторство

  • Р. Чен, MSE (Калифорнийский университет в Дэвисе). Н. Марат, MSE, (Калифорнийский университет в Дэвисе)

3.8 Резюме: Диэлектрики

© Х. Фёлль (Электронные материалы - сценарий)

Диэлектрическая проницаемость e r «как-то» описывает взаимодействие диэлектрических (т.е. более или менее изолирующих) материалов и электрические поля; например через уравнения Þ
D - это электрическое смещение или плотность электрического потока , вроде заменяя E в уравнениях Максвелла всякий раз, когда встречаются материалы.
C - емкость параллельного пластинчатый конденсатор (площадь пластины A , расстояние d ), т.е. «заполнены» диэлектриком e r
n - показатель преломления; а количество, которое "каким-то образом" описывает, как электромагнитные поля с чрезвычайно высокочастотные взаимодействия с веществом.
в этом уравнении предполагается, что материал не имеет магнитных свойств при частота света.
Электрические поля внутри диэлектриков поляризовать материал, что означает, что векторная сумма электрических диполей внутри материал больше не нулевой.
Определяющими величинами являются дипольный момент. µ , вектор, и поляризация P , вектор, тоже.

Примечание. Вектор дипольного момента указывает на отрицательный к положительному заряду - вопреки вектору электрического поля!
Поляризуемые диполи уже присутствует в материале (например, в H 2 O или в ионных кристаллах) или индуцируются электрическим полем (например,грамм. в одиночных атомах или ковалентно связанных кристаллы типа Si )
Размер поляризации P составляет [C / cm 2 ] и действительно идентичен чистый заряд, найденный на единице площади иона поверхности поляризованного диэлектрика.
Эквивалент "Ома" закон ", связывающий плотность тока с напряженностью поля в проводниках. Закон поляризации:


D = D 0 + P = e 0 · E + P
Решающим параметром материала является c («кее»), диэлектрическая восприимчивость
"Классическая" плотность потока. D и поляризация связаны, как показано.По сути, P учитывает только то, что происходит в материале, а D рассматривает общий эффект: материал плюс поле, которое вызывает поляризация.
Поляризация по необходимости движется массы (электронов и / или атомов) вокруг, это не произойдет произвольно быстрый.
e r или c , следовательно, должны быть функциями частоты приложенного электрического поля, и мы хотим рассмотреть всю частоту диапазон от RF до HF до легких и выше.
e r (w) называется «диэлектрик . функция "материала.
Задачи:
  • Определить и (количественно) описать основные механизмы поляризация.
  • Обоснуйте предполагаемую линейную зависимость между P и с .
  • Выведите диэлектрическую проницаемость для данного материала.
(диэлектрические) поляризационные механизмы в диэлектриках - все механизмы, которые
  1. вообще индуцируют диполи (всегда с µ в направлении поля)
    Þ Электронная поляризация.
  2. Заставить диполи, уже присутствующие в материале, "указать" на некоторые протяженность в направлении поля.
    Þ Поляризация интерфейса.
    Þ Ионная поляризация.
    Þ Ориентационная поляризация.
Количественное рассмотрение механизмов поляризации доходность
  • Обоснование (и пределы) P µ E «закон»
  • Значения для c
  • c = c (ширина)
  • c = c (структура)
Электронная поляризация описывает разделение центров «тяжести» зарядов электронов в орбитали и положительный заряд в ядре и диполях, образовавших эту способ.всегда присутствует
Это очень слабый эффект в (более или менее изолированные) атомы или ионы со сферической симметрией (и легко вычисляются).
Может оказывать сильное воздействие, например, на ковалентно связанные материалы, такие как Si (и их не так легко вычислить) или, как правило, в твердые тела.
Ионная поляризация описывает сетку эффект изменения расстояния между соседними ионами в ионном кристалле например, NaCl (или в кристаллах с некоторым ионным компонентом, например SiO 2 ) электрическим полем
Поляризация связана с прочностью сцепления, т.е.е. Модуль Юнга Y . Эффект меньше для «жестких» материалы, например,
P µ 1 / Y
Ориентационная поляризация возникает в результате минимизация свободной энтальпии ансамбля (молекулярных) диполей, которые могут свободно перемещаются и вращаются, т.е. полярные жидкости.
Без поля С полем
Эффект можно рассчитать, result вызывает функцию Ланжевена
L (ш) = coth (б) - 1
б
В хорошем приближении поляризация задана по Þ
< P > = N · м 2 · E
т
Индуцированный дипольный момент µ во всех механизмах пропорционально полю (для разумных напряженности поля) в месте расположения рассматриваемых атомов / молекул.
Константа пропорциональности называется поляризуемость a ; это микроскопический величина, описывающая, что атомы или молекулы «делают» в поле.
Локальное поле, однако, не идентично макроскопическое или внешнее поле, но может быть получено отсюда методом Лоренца подход
E loc = E ex + E pol + E L + E рядом с
Для изотропных материалов (например,грамм. кубические кристаллы) один получает
Зная местное поле, теперь можно соотнести микроскопическое количество к макроскопической величине e или e r через уравнения Клаузиуса - Мосотти Þ
N · а
3 e 0
= e r - 1
e r + 2
= c
к + 3
Хотя это не слишком важно для инженерная практика, это грандиозное достижение.С Клаузиусом - Уравнения Мосотти и то, что в них вошло, стало возможным впервые понять большинство электронных и оптических свойств диэлектриков с точки зрения их составляющие (= атомы) и их структура (связи, кристаллические решетки и т. д.)
Можно нести немного использованного формализма. перейти к другим системам с вовлеченными диполями, в частности, магнетизм = поведение магнитных диполей в магнитных полях.
Переменные электрические поля индуцируют переменные силы для диэлектрических диполей. Поскольку во всех механизмах поляризации дипольный отклик на поле включает движение масс, инерция будет предотвращать сколь угодно быстрые движения.
Выше определенных предельных частот электрического поля, механизмы поляризации «затухнут», я.е. больше не отвечать на поля.
Это могло произойти при довольно высокой (= оптической) частоты, ограничивающие показатель преломления n = (e r ) 1/2
(Единственные) два физических механизма управляющие движением заряженных масс, испытывающих переменные поля, являются релаксация и резонанс.
Релаксация описывает распад возбужденных состояний на основное состояние; он описывает, например, что происходит с ориентационной поляризацией после выключения поля.
Из времени, когда «легко зачать» поведение, мы выводим частотное поведение с помощью преобразования Фурье
Диэлектрическая функция, описывающая релаксацию, имеет типичная частотная зависимость в действительной и мнимой частях Þ
Резонанс описывает все, что может можно смоделировать как массу на пружине - i.е. электронная поляризация и ионная поляризация.
Решающим фактором является (незатухающий) резонанс. частота Вт 0 = ( k S / m ) ½ и «трение» или постоянная демпфирования k F
Постоянная "пружины" задается напрямую. восстанавливающими силами между зарядами, т.е.е. Закон Кулонов, или (то же самое) склеивание. В случае связывания (ионная поляризация) жесткость пружины равна также легко выражается через модуль Юнга Y . Массы - массы электрона или атома для электронной или ионной поляризации соответственно.
Константа затухания описывает время для отводя («рассеивая») энергию, содержащуюся в одной колеблющейся масса на всю кристаллическую решетку.Поскольку это займет всего несколько колебания, затухание вообще большое.
Диэлектрическая функция, описывающая релаксацию, имеет типичная частотная зависимость в действительной и мнимой частях Þ
Зеленая кривая подходит для кристаллов.
Полная частотная зависимость диэлектрическое поведение материала, т.е.е. его диэлектрическая функция, содержит все механизмы «работают» в этом материале.
Как показывает опыт, критические частоты для релаксационные механизмы находятся в области ГГц ГГц, электронная поляризация по-прежнему "работает" на оптических ( 10 15 Гц ) частотах (и таким образом, в основном отвечает за показатель преломления).
Ионная поляризация имеет резонансные частоты в между.
Поляризация интерфейса может «затухнуть» уже низкие частоты.
Широко используемая диаграмма со всеми механизмы показывают это, но имейте в виду, что нет настоящего материала со всеми Сильно присутствуют 4 основных механизма!
Þ
Общая математическая теорема. утверждает, что действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости не могут быть полностью независимый
e '(ширина) = - 2 нед
п.
¥
ó
х
0
Вт * · Е '' (ш * )
ш * 2 - ш 2
· дв *

e '' (ширина) = 2 нед
п.
¥
ó
х
0
e '(ширина * )
ширина * 2 - ширина 2
· дв *
Если вам известна полная частотная зависимость либо действительная, либо мнимая часть, вы можете рассчитать полную частоту зависимость от другого.
Это делается с помощью соотношений Крамерса-Кронига; очень полезные и важные уравнения в материальной практике.
Þ
Первый закон материаловедения получает: при напряженности поля выше некоторого критического значения диэлектрики будут опыт (деструктивный) электрический пробой
Это могло произойти внезапно (тогда вызывает пробой), на ура и дым, или
может потребоваться время - месяцы или годы - затем позвонят отказ.
Критическая напряженность поля может варьироваться от <100 кВ / см от до > 10 МВ / см .
Наивысшая практическая напряженность поля приложения не обязательно происходят при высоких напряжениях, но, например, в интегрированном схемы для очень тонких (несколько нм ) диэлектрических слоев
Пример 1: телевизор , кабель 20 кВ , толщина изоляции = 2 мм.Þ E = 100 кВ / см
Пример 2: Диэлектрик затвора в транзисторе, 3,3 нм Толщина , 3,3 Рабочее напряжение В. Þ E = 10 МВ / см
Свойства тонких пленок могут быть совершенно разными (лучше!), чем объемные свойства!
Электрический пробой является серьезным источник отказа электронных продуктов (т.е. одна из причин, почему вещи пойти "капутт" (= сломался)), но нет простого механизма, следующего за какая-то прямолинейная теория. У нас:
Тепловой поломка ; из-за малых (зависящих от поля) токов, протекающих через «слабые» части диэлектрика.
Лавина пробой из-за случайного ускорения свободных электронов в поле; в конечном итоге получает достаточно энергии для ионизации атомов, производя больше свободных электроны в убегающей лавине.
Местный разряд с образованием микроплазмы в небольших полостях, что приводит к медленному эрозия материала.
Электролитический пробой из-за некоторой ионной микропроводимости, приводящей к структурному изменяется, например, осаждением металла.
Поляризация P диэлектрического материала также может быть вызвана механической деформацией e или другими способами.

Пьезо электрические материалы представляют собой анизотропные кристаллы определенной симметрии такие условия, как кристаллический кварц ( SiO 2 ): эффект линейный.
Эффект работает и в обратном направлении: Электрический поля вызывают механическую деформацию
Пьезоэлектрические материалы находят множество применений, в большинстве видны кварцевые генераторы и, в последнее время, топливные форсунки для дизельных двигателей. двигатели.
Электрострикция также связывает поляризацию и механическая деформация, но квадратично и только по направлению «электрические поля вызывают (очень небольшие) деформации».
e = D л
л
= const · E 2
Эффект пока мало используется; это можно использовать для управления очень маленькими движениями, e.грамм. для манипуляций в области нм область, край. Поскольку это связано с электронной поляризацией, во многих материалах показано этот эффект.
Ферро электрические материалы обладают постоянным дипольным моментом в любом элементарные ячейки, которые, кроме того, все выровнены (ниже критической температуры).
BaTiO 3 элементарная ячейка
Есть сильные параллели с ферромагнитным материалы (отсюда и странное название).
Сегнетоэлектрические материалы имеют большие или даже очень большой ( e r > 1.000 ) диэлектрик константы и, следовательно, их можно найти внутри конденсаторов большой емкости (но не очень хорошие высокочастотные характеристики)
Поджигатель электричество связывает поляризацию с изменениями температуры; электреты - материалы с постоянной поляризацией, .... Есть и другие "курьезы" в этом направлении, некоторые из которых стали полезными в последнее время или могли бы стать полезными - как материаловедение и инженерный прогресс.
Основные вопросы, которые хотелось бы задать ответ относительно оптического поведения материалов и относительно проиллюстрирована простая ситуация:
  1. Насколько велика отраженная дробь R ? 1 - R тогда будет в материале.
  2. Насколько велик угол b , т.е. насколько велик такое преломление материала?
  3. Как поглощается свет в материале, т.е. насколько велико поглощение коэффициент?
Конечно, мы хотим знать, что функция длины волны l или частота n = c / l , угол и , и два основных направления поляризация (
Вся указанная выше информация содержится в комплексном показателе преломления n * как задано Þ
Базовое определение
«нормальный» показатель преломления n
Термины, используемые для комплексного индекса рефакции n *
n = действительная часть
k = мнимая часть
n * 2 = ( n + ik) 2 = e ' + i · e '
Прямое определение n *
Проработка деталей дает основной результат:
  • Знание n = действительная часть позволяет ответить на вопрос 1 и 2 сверху через «законы Френеля» (и «Снеллиус» закон », гораздо более простая специальная версия).
  • Зная k = мнимая часть позволяет ответить вопрос 3 Þ
E x = эксп. - ш · к · x
в
· exp [i · ( k x · x - ш · т)]
Амплитуда:
Экспонента
распад с k
"Беговая" часть
волна
Зная диэлектрическую проницаемость диэлектрический материал (с мнимой частью, выраженной как проводимость с DK ), мы имеем (простую) оптику полностью покрытый!
n 2 = 1
2
æ
ç
è
e ' + æ
è
e ' 2 + с DK 2
4e 0 2 w 2
ö
ø
½ ö
÷
ø

к 2 = 1
2
æ
ç
è
- е ' + æ
è
e ' 2 + с DK 2
4e 0 2 w 2
ö
ø
½ ö
÷
ø
Если мы посмотрим на тензорные свойства e , у нас тоже была бы кристальная оптика (= анизотропное поведение; такие вещи, как двойное лучепреломление).
Однако мы должны копать глубже, например, нелинейный оптика («красный на входе - зеленый (двойная частота) на выходе») или новые дисциплины как квантовая оптика.

Диэлектрик - Энциклопедия Нового Света

Различные типы конденсаторов. Каждый конденсатор включает пару проводящих пластин, разделенных диэлектриком.

A Диэлектрик , или электрический изолятор, представляет собой материал, обладающий высокой устойчивостью к прохождению электрического тока. Диэлектрические материалы могут быть твердыми, жидкостями или газами. К тому же вакуум - отличный диэлектрик.

Диэлектрики используются для разделения пластин конденсаторов. Способность конденсатора накапливать электрический заряд зависит от диэлектрика, разделяющего его пластины.

Пояснение

Когда диэлектрическая среда взаимодействует с приложенным электрическим полем, заряды перераспределяются внутри ее атомов или молекул.Это перераспределение изменяет форму приложенного электрического поля как внутри диэлектрической среды, так и в близлежащей области.

Когда два электрических заряда движутся через диэлектрическую среду, энергии и силы взаимодействия между ними уменьшаются. Когда электромагнитная волна проходит через диэлектрик, ее скорость уменьшается, а длина волны укорачивается.

Когда электрическое поле первоначально прикладывается к диэлектрической среде, течет ток. Полный ток , протекающий через настоящий диэлектрик, состоит из двух частей: тока проводимости и тока смещения.В хороших диэлектриках ток проводимости будет крайне мал. Ток смещения можно рассматривать как упругую реакцию диэлектрического материала на любое изменение приложенного электрического поля. По мере увеличения величины электрического поля протекает ток смещения, и дополнительное смещение сохраняется как потенциальная энергия в диэлектрике. Когда электрическое поле уменьшается, диэлектрик высвобождает часть накопленной энергии в виде тока смещения. Электрическое смещение можно разделить на вклад вакуума и вклад диэлектрика:

D знак равно ε0E + P = ε0E + ε0χE = ε0E (1 + χ), {\ displaystyle \ mathbf {D} = \ varepsilon _ {0} \ mathbf {E} + \ mathbf {P} = \ varepsilon _ { 0} \ mathbf {E} + \ varepsilon _ {0} \ chi \ mathbf {E} = \ varepsilon _ {0} \ mathbf {E} \ left (1+ \ chi \ right),}

, где P - поляризация среды, E - электрическое поле, D - плотность электрического потока (или смещение), а χ {\ displaystyle \ chi} - его электрическая восприимчивость.Отсюда следует, что относительная диэлектрическая проницаемость и восприимчивость диэлектрика связаны: εr = χ + 1 {\ displaystyle \ varepsilon _ {r} = \ chi +1}.

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая постоянная (или статическая диэлектрическая проницаемость) материала (при заданных условиях) - это мера того, в какой степени материал концентрирует электростатические силовые линии. На практике она измеряется как «относительная диэлектрическая проницаемость», которая определяется как отношение количества электрической энергии, запасенной в изоляторе, когда на него накладывается статическое электрическое поле, по отношению к диэлектрической проницаемости вакуума (который имеет диэлектрическая проницаемость 1).

Относительная диэлектрическая проницаемость представлена ​​как ε r (или иногда κ {\ displaystyle \ kappa}, K или Dk). Математически это определяется как:

εr = εsε0 {\ displaystyle \ varepsilon _ {r} = {\ frac {\ varepsilon _ {s}} {\ varepsilon _ {0}}}}

, где ε s - статическая диэлектрическая проницаемость материала, а ε 0 - диэлектрическая проницаемость вакуума. Диэлектрическая проницаемость вакуума выводится из уравнений Максвелла, связывая напряженность электрического поля E с плотностью электрического потока D .В вакууме (свободное пространство) диэлектрическая проницаемость ε составляет всего ε 0 , поэтому диэлектрическая проницаемость равна единице.

Разрешение

Диэлектрическая проницаемость - это физическая величина, которая описывает, как электрическое поле влияет и на него влияет диэлектрическая среда, и определяется способностью материала поляризоваться в ответ на поле и тем самым уменьшать поле внутри материала. Таким образом, диэлектрическая проницаемость относится к способности материала передавать (или «разрешать») электрическое поле.

Это напрямую связано с электрической восприимчивостью. Например, в конденсаторе повышенная диэлектрическая проницаемость позволяет сохранять тот же заряд при меньшем электрическом поле (и, следовательно, меньшем напряжении), что приводит к увеличению емкости.

Диэлектрическая прочность

Термин диэлектрическая прочность может быть определен следующим образом:

  • Для изоляционного материала диэлектрическая прочность - это максимальная напряженность электрического поля, которую материал может выдержать без разрушения, то есть без нарушения своих изоляционных свойств.
  • Для данной конфигурации диэлектрического материала и электродов диэлектрическая прочность - это минимальное электрическое поле, вызывающее пробой.

Теоретическая диэлектрическая прочность материала является внутренним свойством объемного материала и зависит от конфигурации материала или электродов, к которым прикладывается поле. При пробое электрическое поле освобождает связанные электроны. Если приложенное электрическое поле достаточно велико, свободные электроны могут ускоряться до скоростей, которые могут высвободить дополнительные электроны во время столкновений с нейтральными атомами или молекулами в процессе, называемом лавинным пробоем.Пробой происходит довольно резко (обычно за наносекунды), что приводит к образованию токопроводящей дорожки и пробивному разряду через материал. В случае твердых материалов авария серьезно ухудшает или даже разрушает их изоляционные свойства.

Напряженность поля пробоя

Напряженность поля, при которой происходит пробой в данном случае, зависит от соответствующей геометрии диэлектрика (изолятора) и электродов, к которым прикладывается электрическое поле, а также от скорости увеличения, с которой прикладывается электрическое поле.Поскольку диэлектрические материалы обычно содержат мельчайшие дефекты, практическая диэлектрическая прочность будет составлять долю от собственной электрической прочности, наблюдаемой для идеального, бездефектного материала. Диэлектрические пленки имеют тенденцию демонстрировать большую диэлектрическую прочность, чем более толстые образцы из того же материала. Например, диэлектрическая прочность пленок диоксида кремния толщиной от нескольких сотен нм до нескольких микрон составляет приблизительно десять МВ / см. Многослойные тонкие диэлектрические пленки используются там, где требуется максимальная практическая диэлектрическая прочность, например, в высоковольтных конденсаторах и импульсных трансформаторах.

Электрическая прочность различных распространенных материалов
Материал Диэлектрическая прочность (МВ / м)
Воздух 3
кварцевый 8
титанат стронция 8
Неопреновый каучук 12
нейлон 14
Стекло Pyrex 14
Силиконовое масло 15
Бумага 16
бакелит 24
Полистирол 24
тефлон 60

Диэлектрики в конденсаторах с параллельными пластинами

Электроны в молекулах смещаются к положительно заряженной левой пластине.Затем молекулы создают левое электрическое поле, которое частично нейтрализует поле, созданное пластинами. (Воздушный зазор показан для наглядности; в реальном конденсаторе диэлектрик обычно находится в прямом контакте с пластинами.)

Размещение диэлектрического материала между пластинами в конденсаторе с параллельными пластинами вызывает увеличение емкости пропорционально k , относительной диэлектрической проницаемости материала:

C = kϵ0Ad {\ displaystyle C = {\ frac {k \ epsilon _ {0} A} {d}}}
, где ϵ0 {\ displaystyle \ epsilon _ {0}} - диэлектрическая проницаемость свободного пространства, A - площадь, покрываемая конденсаторами, а d - расстояние между пластинами.

Это происходит потому, что электрическое поле поляризует связанные заряды диэлектрика, создавая концентрации заряда на его поверхностях, которые создают электрическое поле, противоположное (антипараллельное) полю конденсатора. Таким образом, данное количество заряда создает более слабое электрическое поле между пластинами, чем без диэлектрика, что снижает электрический потенциал. Рассматриваемый наоборот, этот аргумент означает, что в случае диэлектрика данный электрический потенциал заставляет конденсатор накапливать большую поляризацию заряда.

Приложения

Использование диэлектрика в конденсаторе дает несколько преимуществ. Самый простой из них заключается в том, что проводящие пластины можно размещать очень близко друг к другу без риска контакта. Кроме того, при воздействии очень сильного электрического поля любое вещество ионизируется и становится проводником. Диэлектрики более устойчивы к ионизации, чем сухой воздух, поэтому конденсатор, содержащий диэлектрик, может подвергаться более высокому рабочему напряжению. Слои диэлектрика обычно включают в производимые конденсаторы для обеспечения более высокой емкости в меньшем пространстве, чем конденсаторы, использующие только воздух или вакуум между пластинами, и термин диэлектрик относится к этому применению, а также к изоляции, используемой в силовых и радиочастотных кабелях. .

Некоторые практические диэлектрики

Диэлектрические материалы могут быть твердыми, жидкостями или газами. Кроме того, высокий вакуум также может быть полезным диэлектриком без потерь, даже если его относительная диэлектрическая проницаемость равна всего лишь единице.

Твердые диэлектрики, возможно, являются наиболее часто используемыми диэлектриками в электротехнике, а многие твердые тела являются очень хорошими изоляторами. Некоторые примеры включают фарфор, стекло и большинство пластмасс. Воздух, азот и гексафторид серы - три наиболее часто используемых газообразных диэлектрика.

  • Промышленные покрытия, такие как парилен, создают диэлектрический барьер между подложкой и окружающей средой.
  • Минеральное масло широко используется в электрических трансформаторах в качестве жидкого диэлектрика и для охлаждения. Диэлектрические жидкости с более высокими диэлектрическими постоянными, такие как касторовое масло для электротехнического качества, часто используются в высоковольтных конденсаторах, чтобы предотвратить коронный разряд и увеличить емкость.
  • Поскольку диэлектрики сопротивляются потоку электричества, поверхность диэлектрика может удерживать скрученных избыточных электрических зарядов.Это может произойти случайно при трении диэлектрика (трибоэлектрический эффект). Это может быть полезно, как в генераторе Ван де Граафа или электрофоре, или может быть потенциально разрушительным, как в случае электростатического разряда.
  • Специально обработанные диэлектрики, называемые электретами, могут сохранять избыточный внутренний заряд или «замораживать» поляризацию. Электреты имеют полупостоянное внешнее электрическое поле и являются электростатическим эквивалентом магнитов. Электреты находят множество практических применений в быту и промышленности.
  • Некоторые диэлектрики могут создавать разность потенциалов при воздействии механического напряжения или изменять физическую форму, если к материалу приложено внешнее напряжение. Это свойство называется пьезоэлектричеством. Пьезоэлектрические материалы - еще один класс очень полезных диэлектриков.
  • Некоторые ионные кристаллы и полимерные диэлектрики обладают спонтанным дипольным моментом, который может быть изменен внешним приложенным электрическим полем. Такое поведение называется сегнетоэлектрическим эффектом.Эти материалы аналогичны поведению ферромагнитных материалов во внешнем магнитном поле. Сегнетоэлектрические материалы часто имеют очень высокую диэлектрическую проницаемость, что делает их весьма полезными для конденсаторов.

См. Также

Список литературы

  • Boettcher, Карл Юхан Фридрих. 1980. Теория электрической поляризации: диэлектрическая поляризация . Elsevier Science. ISBN 0444415793
  • Рамбл, Джон (ред.). 2017. CRC Handbook of Chemistry and Physics , 98-е изд.Бока-Ратон: CRC Press. ISBN 978-1498784542
  • Фон Хиппель, Артур Р. 1994. Диэлектрики и волны . Печать Artech по запросу. ISBN 978-08038

Внешние ссылки

Все ссылки получены 8 мая 2018 г.

Кредиты

Энциклопедия Нового Света писателей и редакторов переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 Лицензия (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Диэлектрические жидкости в электростатических полях

Диэлектрические жидкости в электростатических полях
Далее: Упражнения Up: Электростатика в диэлектрических средах Предыдущая: Отношения Клаузиуса-Моссотти Рассмотрим поведение незаряженной диэлектрической жидкости, помещенной в электростатическое поле. Если давление в жидкости, когда в равновесии с плотностью электростатической силы тогда баланс сил требует, чтобы
(599)

Из уравнения (585) следует, что
(600)

Мы можем проинтегрировать это уравнение, чтобы получить
(601)

где 1 и 2 относятся к двум общим точкам в жидкости.Вот Предполагается, что жидкость обладает уравнением состояния, так что . Если жидкость существенно несжимаема (т.е. константа) тогда
(602)

Наконец, если жидкость подчиняется соотношению Клаузиуса-Моссотти, то
(603)

Согласно уравнениям (554) и (604), если сфера из диэлектрика жидкость находится в однородном электрическом поле затем давление внутри жидкости принимает постоянное значение

(604)

Понятно, что электростатический все силы, действующие на диэлектрик, сосредоточены в края сферы и направлены радиально внутрь: диэлектрик сжимается внешним электрическим полем.Этот является несколько неожиданным результатом, потому что электростатические силы, действующие на жесткая проводящая сфера сосредоточена на краю сферы, но направлены радиально наружу. Можно ожидать, что эти два случая дадут тот же результат в пределе . Причина, по которой этого не происходит: потому что диэлектрическая жидкость слегка сжимаемый, и, следовательно, подвержен силе электрострикции. Здесь нет сила электрострикции для случая полностью твердого тела.Фактически сила плотность внутри жесткого диэлектрика (для которого ) дается уравнением (585) с третьим членом (электрострикционным членом) отсутствующий. Легко показать, что сила электрического поле на жестком диэлектрике направлено наружу и приближается к приложенному на жестком проводнике в пределе .

Как известно, если пару заряженных (параллельных плоскостей) обкладок конденсатора погрузить в диэлектрическую жидкость, затем жидкость втягивается между пластинами, чтобы какой-то степени.Разберем этот эффект. Мы можем без потери общности, предположим, что переход от диэлектрика к вакууму происходит размещать непрерывно. Учитывайте электростатический перепад давления между точкой лежащий прямо над поверхностью жидкости между тарелки, и точка лежащий прямо над поверхностью жидкости хорошо от конденсатора (где ). Перепад давления составляет дано

(605)

Отметим, однако, что Клаузиус-Моссотти отношение дает у обоих и , так как в вакууме [см. уравнение (599)].Таким образом, из уравнения (585) ясно, что что электрострикционный член не дает вклада в линию интеграл (606). Следует, что
(606)

Единственный вклад в этот интеграл дает вакуум / диэлектрик. граница раздела в окрестности точки (потому что является константа внутри жидкость, и в окрестностях неподалеку от точка ). Предположим, что электрическое поле в точке имеет нормальную и касательную (к поверхности) составляющие а также , соответственно.Используя граничные условия, которые а также постоянны по граница раздела вакуум / диэлектрик, получаем
(607)

давая
(608)

Этот электростатический перепад давления можно приравнять к гидростатическому давлению разница для определения высоты, , что жидкость поднимается между пластинами. На первый взгляд, приведенный выше анализ предполагает, что диэлектрическая жидкость вытягивается вверх под действием поверхностной силы воздействуя на границу раздела вакуум / диэлектрик в область между пластинами.На самом деле это далеко не дело. Краткое рассмотрение уравнения (604) показывает, что эта поверхностная сила фактически направлен вниз. Согласно уравнению (585) сила, заставляющая жидкость встать между пластинами - объемная сила, развивающаяся в области неоднородного электрического поле у ​​основания конденсатора, где поле распределяется между тарелки. Таким образом, хотя мы можем определить высоту, на которую жидкость поднимается между пластинами без учета силы электрострикции, это, как это ни парадоксально, сила, которая на самом деле отвечает за поддержку жидкости против силы тяжести.

Рассмотрим еще один парадокс, связанный с электростатическими силами. в диэлектрической среде. Предположим, что у нас есть два заряда встроен в однородный диэлектрик с диэлектрической проницаемостью . Создаваемое электрическое поле каждый заряд такой же, как и в вакууме, за исключением того, что он уменьшен в раз . Следовательно, мы ожидаем, что сила со стороны один заряд на другом должен быть таким же, как и в вакууме, за исключением того, что он также уменьшается в раз .Давайте посмотрим, как это уменьшение силы происходит. Рассмотрим простой пример. Предположим, мы берем конденсатор с параллельными пластинами и вставляем блок твердого диэлектрика между пластинами. Предположим, далее, что существует небольшой вакуумный зазор между гранями блока и каждой из обкладки конденсатора. Пусть быть поверхностными плотностями заряда на каждой из обкладок конденсатора, и пусть быть связанным плотности заряда, которые развиваются на внешних поверхностях промежуточного диэлектрика блокировать.Два слоя связанного заряда создают равные и противоположные электрические поля на каждой пластине и, следовательно, их эффекты взаимно компенсируются. Таким образом, только с точки зрения электрического взаимодействия похоже, что сила, оказываемая одной пластиной конденсатора на Другие когда между ними помещается диэлектрическая плита (при условии, что останки постоянно во время этого процесса). То есть сила на единицу площадь (что привлекательно) остается

(609)

Однако в экспериментах с погруженным конденсатором в диэлектрической жидкости сила на единицу площади, действующая на одну пластину на другом наблюдается уменьшение до
(610)

Этот кажущийся парадокс можно объяснить, если принять во внимание перепад давления жидкости в заполненном полем пространстве между пластинами и бесполевой областью вне конденсатора.Эта разница давлений уравновешивается внутренними упругими силами в корпусе твердого диэлектрика, обсуждаемого ранее, но передается на тарелки в случае жидкости. Мы можем вычислить перепад давления между точкой на внутренней поверхности одного из конденсаторов тарелки, и точка на внешней поверхности той же пластины с помощью Уравнение (607). Если пренебречь конечными эффектами, электрическое поле нормальное. к пластинам в области между пластинами, и равна нулю где-либо еще.Таким образом, единственный вклад в линейный интеграл (607) происходит от границы раздела пластина / диэлектрик вблизи точка . Используя уравнение (609), находим, что
(611)

где нормальная напряженность поля между пластинами в отсутствие диэлектрика. Сумма этой силы давления и чисто электрическая сила (610) дает чистую привлекательную сила на единицу площади
(612)

действуя между пластинами.Таким образом, любое уменьшение прилагаемых сил обвинениями друг друга когда они погружены или залиты диэлектрической средой можно понять только с точки зрения передаваемых механических сил между этими зарядами самой средой.

Далее: Упражнения Up: Электростатика в диэлектрических средах Предыдущая: Отношения Клаузиуса-Моссотти
Ричард Фицпатрик 2014-06-27
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *