Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектрики в электрическом поле ведут себя согласно своему внутреннему строению. Их еще называют непроводниками, поскольку, как известно, они представляют собой вещества, не проводящие практически электрический ток. В них не содержатся свободные носители заряда, которые были бы способны перемещаться внутри данного диэлектрика.

Молекула — это мельчайшая частица вещества, которая сохраняет его химические свойства. Она же, в свою очередь, сама состоит из атомов с положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами. Молекулы в целом являются нейтральными. Как гласит теория ковалентных связей, образованные в них одна или несколько пар электронов, становясь для соединяющихся атомов общими, обеспечивают устойчивость молекул.

Для каждого из типа зарядов — положительных (ядер) и отрицательных (электронов) – существует точка, которая как бы является для них «центром тяжести» (электрическим). Эти точки получили название полюсов молекулы. В случае совпадения в молекуле электрических центров тяжести разноименных зарядов: положительных и отрицательных — она будет неполярной (не имеющей дипольного момента).

Строение молекулы может быть несимметричным, скажем, в ней может быть два разнородных атома, тогда в некоторой степени должно произойти смещение общей пары электронов по направлению одного из атомов. Понятно, что в этом случае неравномерное распределение разноименных зарядов (положительных и отрицательных) внутри молекулы приведет к несовпадению их электрических центров тяжести. Полученную молекулу называют полярной или обладающей дипольным моментом.

Основным свойством диэлектриков является их способность к поляризации.
Диэлектрики в электрическом поле поляризуются. Это означает, что в их атомах электроны начинают двигаться по вытянутым орбитам. В итоге одни их поверхности оказывается отрицательно заряженными, другие – положительно. Таким образом возникает электрическое поле в диэлектриках, которое, соответственно, называют внутренним. То есть на диэлектрики одновременно воздействуют электрические поля (внешнее и внутреннее), которые при этом противоположно направлены.

Результирующее электрическое поле имеет напряженность, равную разности напряженностей большего и меньшего из полей. Надо отметить, что напряженность поля в диэлектрике, независимо от его вида, всегда меньше, чем напряженность электрического внешнего поля, которое вызвало его поляризацию.

Интенсивность поляризации находится в прямо пропорциональной зависимости от диэлектрической проницаемости диэлектрика. Чем она меньше, тем менее интенсивно происходит в диэлектрике поляризация и тем сильнее в нем электрическое поле.

Заряды появляются не только на поверхности, но и на концах диэлектрика, но их переход при контакте с электродом невозможен, поскольку непроводник притягивается к электроду кулоновскими силами.

Диэлектрики в электрическом поле, если оно сильное и его напряженность возможно увеличивать, при определенных значениях напряженности начнут пробиваться, то есть от атома начнут отрываться электроны. Это приведет к процессу ионизации диэлектриков, вследствие чего они станут проводниками.

Величину напряженности внешнего поля, которая приводит к пробою диэлектрика, называют ее пробивной напряженностью. А соответствующее предельное напряжение, при котором диэлектрик пробивается – напряжением пробоя. Известно еще одно название предельного напряжения – электрическая прочность диэлектрика.

Необходимо заметить, что только диэлектрики в электрическом поле имеют внутреннее поле, которого в основном исчезает, если снимается внешнее.

fb.ru

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Одним из основных понятий электрики является электрическое поле. Благодаря ему, все электрические заряды способны взаимодействовать между собой. Оно образовано суммой электрических полей, существующих в каждом заряде. Все тела, помещенные в эту среду, разделяются, как проводники и диэлектрики в электрическом поле, выполняющие собственные функции, в зависимости от их физических свойств.

Проводники в электрическом поле

Проводники свободно пропускают через себя электрозаряды, поскольку содержат в себе заряженные свободные носители. Классические проводники представлены различными видами металлов и электролитами.

Когда проводник попадает в электрическое поле, в нем возникает движение свободных зарядов. Оно прекращается при нулевом значении напряженности. Разноименные заряды могут разделяться и тогда наблюдается явление электростатической индукции. В этом случае прекращается перемещение свободных зарядов вдоль поверхности проводника. Когда распределение достигает определенного значения, вектор напряженности в поле становится перпендикулярным проводнику.

Все эти свойства проводников, на которые воздействует поле используются на практике в различных приборах и устройствах.

Диэлектрики

Тела, которые состоят из веществ, не проводящих электроразряды, получили название диэлектриков. Это связано с тем, что в них отсутствуют свободные заряды. В электротехнике такие тела играют роль изоляторов.

При помещении диэлектрика в электрическое поле, в нем не будет происходить перераспределения зарядов. Сам диэлектрик будет нейтральным на обоих концах. Тем не менее, незаряженное диэлектрическое тело может притягиваться к заряженному объекту, поскольку поле создает поляризацию диэлектрика. При этом, разноименные заряды, связанные между собой и находящиеся в составе молекул и атомов, смещаются в противоположные стороны.

Диэлектрики могут быть полярными и неполярными. В первом случае распределение положительных и отрицательных зарядов в молекулах не совпадает. Эти нейтральные системы называются электрическими диполями. В неполярных диэлектриках центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Их типичными представителями являются водород, кислород, инертные газы.

Следует отметить, что разделение веществ на проводники и диэлектрики достаточно условно, поскольку свободные заряды в различных количествах содержатся в каждом диэлектрике.

electric-220.ru

Проводники в электрическом поле

Проводниками
называются вещества, в которых имеются
свободные электрические заряды, способные
перемещаться под действием сколь угодно
слабого электрического поля. К проводникам
относятся металлы, электролиты,
ионизованные газы.

Если
поместить проводник в электрическое
поле, то заряды в проводнике станут
перемещаться, положительные по полю,
отрицательные — против поля. На одном
конце проводника будет скапливаться
избыток положительных зарядов, на другом
– отрицательных. Это вызовет появление
в проводнике собственного поля Е,
направленного против внешнего. Разделение
зарядов в проводнике будет происходить
до тех пор, пока собственное поле не
станет равным внешнему во всех точках
проводника. А, следовательно, суммарное
поле будет равно 0: Е = Е0
— Е
= 0 .

Это значит, что
все точки проводника имеют одинаковый
потенциал: Е =
,
следовательно,
= const.
Из постоянства потенциала вдоль
поверхности следует, что силовые линии
электрического поля в диэлектриках,
окружающих проводник, перпендикулярны
к поверхности проводника.

Заряды
на противоположных краях проводника
называются индуктированными или
наведенными. Линии суммарного поля
будут частично оканчиваться на
отрицательных индуктированных зарядах
и вновь начинаться на индуктированных
положительных. Эквипотенциальные
поверхности будут огибать проводник,
а одна из них будет пересекаться
проводником.

Возникновение
индуктированных зарядов на проводнике,
помещенном в электрическое поле,
используется для зарядки проводников
при помощи электростатических индукционных
машин. Если отвести заряд одного знака
на другой проводник (например, в землю)
и отключить второй проводник, то первый
проводник окажется заряженным.

Применив теорему
Гаусса, получим, что напряженность поля
вблизи поверхности проводника Е =
,
ε – относительная диэлектрическая
проницаемость среды, окружающей
проводник.

Рассмотрим
электрическое поле, создаваемое
проводником с остриями. На больших
расстояниях от проводника эквипотенциальные
поверхности имеют форму сферы (как у
точечного заряда). По мере приближения
к проводнику эквипотенциальные
поверхности становятся все более
сходными с поверхностью проводника.

Вблизи
выступов эквипотенциальные поверхности
располагаются гуще, следовательно,
напряженность поля здесь больше. А
значит и плотность зарядов больше.
Особенно большой бывает плотность
зарядов на остриях. Поэтому напряженность
поля вблизи остриев может быть настолько
велика, что возникает ионизация молекул
газа, окружающего проводник. Ионы
противоположного знака притягиваются
к проводнику и нейтрализуют его заряд.
Ионы того же знака начинают двигаться
от проводника, увлекая с собой и
нейтральные молекулы газа. В результате
возникает движение газа, называемое
«электрическим ветром». Заряд проводника
уменьшается, он как бы стекает с острия
и уносится ветром. Поэтому это явление
и называется истечением заряда с острия.

Отсутствие
электрического поля внутри проводника,
помещенного в электрическое поле,
применяется в технике для электростатической
защиты приборов и проводов от внешних
электрических полей (экранировка).
Подобный экран действует, даже если
его сделать не сплошным, а в виде густой
сетки.

Диэлектрики
в электрическом поле.

Диэлектриками
называются вещества, не проводящие
электрический ток. В идеальном диэлектрике
нет свободных электрических зарядов,
способных перемещаться под действием
электрического поля. Атомы и молекулы
диэлектрика содержат равные количества
положительных и отрицательных зарядов
и в целом электрически нейтральны.
Однако под действием электрического
поля в диэлектрике происходит смещение
зарядов в пределах атома или молекулы.
Это явление называется поляризацией
диэлектрика.
Различают три типа поляризации:
электронную,
ионную и дипольную.

Диэлектрики
с электронной поляризацией

Это
вещества, у которых центры «тяжести»
положительных и отрицательных зарядов
атомов или молекул совпадают. К ним
относятся парафин, бензол, азот, водород
и т.д. при внесении во внешнее электрическое
поле центры тяжести положительных и
отрицательных зарядов смещаются в
противоположные стороны на некоторое
расстояние. Каждая молекула при этом
приобретает дипольный электрический
момент, величина которого пропорциональна
приложенному внешнему полю. При снятии
внешнего поля молекулы возвращаются в
исходное состояние и дипольный момент
обращается в 0. такие диполи называются
упругими.

Диэлектрики
с дипольной поляризацией (полярные)

Это вещества,
молекулы которых имеют асимметричное
строение. При этом центры тяжести
положительных и отрицательных зарядов
молекулы не совпадают и молекула, даже
в отсутствие внешнего электрического
поля представляет собой «жесткий»
диполь. К ним относятся вода, нитробензол
и т.д.

В отсутствие
внешнего поля дипольные моменты отдельных
молекул, вследствие теплового движения,
ориентированы хаотично в пространстве
и диэлектрик в целом дипольным моментом
не обладает. При помещении в электрическое
поле на каждый диполь будут действовать
электрические силы, стремящиеся повернуть
его вдоль поля. Ориентации диполей по
полю будет препятствовать хаотическое
тепловое движение. В результате этих
противоположных воздействий среднее
значение проекций дипольного момента
молекул на направление поля станет не
равным нулю. Весь диэлектрик в целом
будет обладать дипольным моментом,
направленным вдоль внешнего поля.
Величина момента пропорциональна
напряженности поля и обратно пропорциональна
абсолютной температуре.

Диэлектрики
с ионной поляризацией

К ним относятся
вещества, имеющие ионное строение (NaCl,
KCl
и т.д.). При внесении их в электрическое
поле происходит некоторое смещение
положительных ионов кристаллической
решетки по полю, отрицательных – против
поля. Такой диэлектрик в целом также
будет обладать дипольным моментом,
направленным вдоль внешнего поля и
пропорциональным его величине.

studfiles.net

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?

phscs.ru

Проводник в электростатическом поле. Проводники, полупроводники, диэлектрики

Веществом, имеющим свободные частицы с зарядом, двигающиеся по телу за счет действующего электрического поля упорядоченно, называют проводник в электростатическом поле. А заряды частиц называют свободными. Диэлектрики, напротив, их не имеют. Проводники и диэлектрики имеют разную природу и свойства.

Проводник

В электростатическом поле проводники — металлы, щелочные, кислые и солевые растворы, а также ионизированные газы. Носители свободных зарядов в металлах — это свободные электроны.

При поступлении в однородное электрическое поле, где металлы — проводники без заряда, начнется движение в направлении, которое противоположно вектору напряжения поля. Скапливаясь на одной стороне, электроны создадут отрицательный заряд, а на другой стороне недостаточное их количество станет причиной появления избыточного положительного заряда. Получится, что заряды разделятся. Некомпенсированные разные заряды возникают под воздействием внешнего поля. Таким образом, они индуцированы, а проводник в электростатическом поле остается без заряда.

Нескомпенсированные заряды

Электризация, когда заряды перераспределяются между частями тела, называется электростатической индукцией. Нескомпенсированные электрические заряды образуют свое тело, напряженности внутренние и внешние противоположны друг другу. Разделяясь и затем накапливаясь на противоположных частях проводника, напряженность внутреннего поля возрастает. В результате оно становится нулевым. Тогда заряды уравновешиваются.

При этом весь нескомпенсированный заряд находится снаружи. Этот факт используют, чтобы получить электростатическую защиту, предохраняющую приборы от влияния полей. Их помещают в сетки или заземленные корпуса из металла.

Диэлектрики

Вещества без свободных электрических зарядов в стандартных условиях (то есть, когда температура не слишком высокая и не низкая) называются диэлектриками. Частицы в этом случае не могут передвигаться по телу и смещаются только чуть-чуть. Поэтому электрические заряды здесь связаны.

Диэлектрики подразделяются на группы в зависимости от молекулярного строения. Молекулы диэлектриков первой группы асимметричны. К ним относится и обычная вода, и нитробензол, и спирт. Их положительные и отрицательные заряды не совпадают. Они выступают в роли электрических диполей. Такие молекулы считаются полярными. Их электрический момент равен конечному значению при всех разных условиях.

Вторая группа состоит из диэлектриков, у которых молекулы имеют симметричное строение. Это парафин, кислород, азот. Положительные и отрицательные заряды у них имеют схожее значение. Если внешнего электрического поля нет, то и электрический момент тоже отсутствует. Это неполярные молекулы.

Разноименные заряды в молекулах во внешнем поле имеют смещенные центры, направленные в разные стороны. Они превращаются в диполи и получают еще один электрический момент.

Диэлектрики третьей группы имеют кристаллическое строение из ионов.

Интересно, как ведет себя диполь во внешнем однородном поле (ведь он является молекулой, состоящей из неполярных и полярных диэлектриков).

Любой заряд диполя наделен силой, каждая из которых имеет один и тот же модуль, но различное направление (противоположное). Образуются две силы, имеющие вращательный момент, под действием которого диполь стремится повернуться таким образом, чтобы направление векторов совпадало. В результате он получает направление внешнего поля.

В неполярном диэлектрике внешнего электрического поля нет. Поэтому молекулы лишены электрических моментов. В полярном диэлектрике тепловое движение образуется в полном беспорядке. Из-за этого электрические моменты имеют различное направление, а их векторная сумма — нулевая. То есть диэлектрик не имеет электрического момента.

Диэлектрик в однородном электрическом поле

Поместим диэлектрик в однородное электрическое поле. Мы уже знаем, что диполи — это молекулы полярных и неполярных диэлектриков, которые направлены в зависимости от внешнего поля. Их векторы упорядочены. Тогда сумма векторов не является нулевой, и диэлектрик имеет электрический момент. Внутри него имеются положительные и отрицательные заряды, которые взаимокомпенсирумы и находятся близко друг от друга. Поэтому диэлектрик и не получает заряд.

Противоположные поверхности имеют нескомпенсированные поляризационные заряды, которые равны, то есть диэлектрик поляризуется.

Если взять ионный диэлектрик и поместить в электрическое поле, то решетка кристаллов из ионов в нем слегка сместится. В результате диэлектрик ионного типа получит электрический момент.

Поляризационные заряды образуют свое электрическое поле, которое имеет противоположное направление с внешним. Поэтому напряженность электростатического поля, которое образуется зарядами, помещенными в диэлектрик, получается меньше, чем в вакууме.

Проводник

Иная картина сложится с проводниками. Если проводники электрического тока внести в электростатическое поле, в нем возникнет кратковременный ток, так как действующие на свободные заряды электрические силы будут способствовать возникновению движения. Но также всем известен закон термодинамической необратимости, когда любой макропроцесс в замкнутой системе и движение должны в итоге закончиться, а система уравновеситься.

Проводник в электростатическом поле — это тело из металла, где электроны начинают движение против силовых линий и начнут накапливаться слева. Проводник справа потеряет электроны и получит положительный заряд. При разделении зарядов он обретет свое электрическое поле. Это называется электростатической индукцией.

Внутри проводника напряженность электростатического поля нулевая, что легко доказать, двигаясь от обратного.

Особенности поведения заряда

Заряд проводника скапливается на поверхности. Кроме того, он распределяется таким образом, что плотность заряда ориентируется на кривизну поверхности. Здесь она будет больше, чем в других местах.

Проводники и полупроводники имеют кривизну больше всего на остриях угла, кромках и закруглениях. Здесь же наблюдается и большая плотность заряда. Наряду с ее увеличением растет и напряженность рядом. Поэтому здесь создается сильное электрическое поле. Появляется коронный заряд, из-за чего стекаются заряды от проводника.

Если рассмотреть проводник в электростатическом поле, у которого изъята внутренняя часть, обнаружится полость. От этого ничего не изменится, потому что поля как не было, так и не будет. Ведь в полости оно отсутствует по определению.

Заключение

Мы рассмотрели проводники и диэлектрики. Теперь вы можете понять их различия и особенности проявления качеств в схожих условиях. Так, в однородном электрическом поле они ведут себя совсем по-разному.

fb.ru

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле  складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля  и внутреннего поля , создаваемого заряженными частицами вещества.

Вещество многообразно по своим электрическим свойствам. Наиболее широкие классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. Типичные проводники – металлы.

В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают не скомпенсированные положительные и отрицательные заряды (рис. 1.5.1). Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.

Индукционные заряды создают свое собственное поле ,  которое компенсирует внешнее поле  во всем объеме проводника:

 (внутри проводника).

Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.

Рисунок 1.5.1.

Электростатическая индукция

Все внутренние области проводника, внесенного в электрическое поле, остаются электронейтральными. Если удалить некоторый объем, выделенный внутри проводника, и образовать пустую полость, то электрическое поле внутри полости будет равно нулю. На этом основана электростатическая защита – чувствительные к электрическому полю приборы для исключения влияния поля помещают в металлические ящики (рис. 1.5.2).

Рисунок 1.5.2.

Электростатическая защита. Поле в металлической полости равно нулю

Так как поверхность проводника является эквипотенциальной, силовые линии у поверхности должны быть перпендикулярны к ней.

В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле   в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные нескомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.

Связанные заряды создают электрическое поле   которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности  внешнего поля. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика. В результате полное электрическое поле  внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше внешнего поля

Физическая величина, равная отношению модуля напряженности  внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности  полного поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества.

Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная и электронная поляризации. Эти механизмы проявляются главным образом при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.

Ориентационная или дипольная поляризация возникает в случае полярных диэлектриков, состоящих из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи – нейтральную совокупность двух зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Дипольным моментом обладает, например, молекула воды, а также молекулы ряда других диэлектриков (H2S, NO2 и т. д.).

При отсутствии внешнего электрического поля оси молекулярных диполей из-за теплового движения ориентированы хаотично, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем равен нулю.

При внесении диэлектрика во внешнее поле   возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле  направленное навстречу внешнему полю  (рис. 1.5.3).

Рисунок 1.5.3.

Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика

Поляризация полярных диэлектриков сильно зависит от температуры, так как тепловое движение молекул играет роль дезориентирующего фактора.

Электронный или упругий механизм проявляется при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не обладают в отсутствие внешнего поля дипольным моментом. Под действием электрического поля молекулы неполярных диэлектриков деформируются – положительные заряды смещаются в направлении вектора  а отрицательные – в противоположном направлении. В результате каждая молекула превращается в электрический диполь, ось которого направлена вдоль внешнего поля. На поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные связанные заряды, создающие свое поле , направленное навстречу внешнему полю  Так происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 1.5.4).

Деформация неполярных молекул под действием внешнего электрического поля не зависит от их теплового движения, поэтому поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры. Примером неполярной молекулы может служить молекула метана CH4. У этой молекулы четырехкратно ионизированный ион углерода C4– располагается в центре правильной пирамиды, в вершинах которой находятся ионы водорода H+. При наложении внешнего электрического поля ион углерода смещается из центра пирамиды, и у молекулы возникает дипольный момент, пропорциональный внешнему полю.

Рисунок 1.5.4.

Поляризация неполярного диэлектрика

Электрическое поле  связанных зарядов, возникающее при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, изменяется по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля . В очень сильных электрических полях эта закономерность может нарушаться, и тогда проявляются различные нелинейные эффекты. В случае полярных диэлектриков в сильных полях может наблюдаться эффект насыщения, когда все молекулярные диполи выстраиваются вдоль силовых линий. В случае неполярных диэлектриков сильное внешнее поле, сравнимое по модулю с внутриатомным полем, может существенно деформировать атомы или молекулы вещества и изменить их электрические свойства. Однако, эти явления практически никогда не наблюдаются, так как для этого нужны поля с напряженностью порядка 1010–1012 В/м. Между тем, гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.

У многих неполярных молекул при поляризации деформируются электронные оболочки, поэтому этот механизм получил название электронной поляризации. Этот механизм является универсальным, поскольку деформация электронных оболочек под действием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика.

В случае твердых кристаллических диэлектриков наблюдается так называемая ионная поляризация, при которой ионы разных знаков, составляющие кристаллическую решетку, при наложении внешнего поля смещаются в противоположных направлениях, вследствие чего на гранях кристалла появляются связанные (нескомпенсированные) заряды. Примером такого механизма может служить поляризация кристалла NaCl, в котором ионы Na+ и Cl составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. В отсутствие внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла NaCl (см. Часть I § 3.6 ) электронейтральна и не обладает дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки смещаются в противоположных направлениях, т. е. кристалл поляризуется.

При поляризации неоднородного диэлектрика связанные заряды могут возникать не только на поверхностях, но и в объеме диэлектрика. В этом случае электрическое поле  связанных зарядов и полное поле  могут иметь сложную структуру, зависящую от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле  в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем  строго справедливо только в случае однородного диэлектрика, заполняющего все пространство, в котором создано внешнее поле. В частности:

Если в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд Q, то напряженность поля  создаваемого этим зарядом в некоторой точке, и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме:

www.its-physics.org

ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Проводники в электрическом поле.Проводники — это вещества, характеризующиеся наличием в них боль­шого количества свободных носителей зарядов, способ­ных перемещаться под действием электрического поля. К проводникам относятся металлы, электролиты, уголь. В металлах носителями свободных зарядов являются электроны внешних оболочек атомов, которые при взаи­модействии атомов полностью утрачивают связи со «своими» атомами и становятся собственностью всего проводника в целом. Свободные электроны участвуют в тепловом движении подобно молекулам газа и могут перемещаться по металлу в любом направлении.

В металлическом теле (рис. 1.4) под действием внеш­него электрического поля, имеющего напряженность Е, свободные электроны перемещаются навстречу линиям напряженности.

Явление разделения зарядов проводника внешним электрическим полем называется электростатической индукцией.

В результате разделения зарядов в проводнике создается внутреннее электрическое поле с напряжен­ностью Ев, направленное противо­положно внешнему. Под действием поля смещается только часть электронов проводника, необходимая для созда­ния Ев, уравновешивающего Е.

Если бы результирующая напряженность поля внутри проводника была больше нуля, продолжалось бы раз­деление зарядов под ее действием. Внутри проводника электрическое поле отсутствует. Это свойство на прак­тике используется для электростатического экра­нирования, т. е. защиты какого-либо устройства, например измерительного механизма прибора, от влия­ния внешних электрических полей. Прибор помещают в металлический кожух, называемый экраном.

Диэлектрикив электрическом поле.В диэлектриках практически отсутствуют свободные носители зарядов. Все носители зарядов диэлектриков входят в состав их молекул, связаны между собой и под действием внешнего поля могут смещаться лишь на очень малые расстояния: в пределах молекулы или атома.

Многие диэлектрики имеют полярные молекулы. При электрической нейтральности молекулы в целом ее поло­жительный и отрицательный заряды расположены асим­метрично, что позволяет представить полярные молекулы так называемыми электрическими диполями, т. е. как пару разноименных зарядов, находящихся на небольшом расстоянии друг от друга.

При отсутствии внешнего поля молекулы диэлектрика ориентированы произвольно. Во внешнем поле (рис. 1.5)

Рис. 1.5

на каждый диполь действуют две силы, стремящиеся его повернуть. Смещение зарядов или ориентация дипо­лей под действием электрического поля называется поляризацией диэлектрика.

Результатом поляризации диэлектрика является обра­зование в нем собственного электрического поля, направ­ленного встречно внешнему (рис. 1.5.)

Диэлектрик ослабляет электрическое поле. Величина, показывающая, во сколько раз уменьшится напряжен­ность поля, если вместо вакуума применить диэлектрик, называется относительнойдиэлектрической проницаемостью ε.

Диэлектрическая проницаемость — одна из важней­ших характеристик диэлектриков. Ее значения для раз­личных материалов приводятся в справочниках. Так, для слюды ε = 4—6, фарфора 5—7,5, бумаги 2—3, стекла 5,5—10, воздуха 1 и т. д.

Под действием электрического поля в диэлектрике наблюдается рассеяние части энергии поля, которая превращается в теплоту. Значение этой энергии в единицу времени (мощность) принято называть диэлектриче­скими потерями. Диэлектрические потери в постоян­ном электрическом поле обусловлены протекающим через диэлектрик током (в реальном диэлектрике всегда содержится небольшое количество свободных носителей зарядов, создающих ток). В переменном поле к ним добавляются потери, связанные с поляризацией ди­электрика.

Диэлектрические потери вызывают нагрев изоляцион­ных конструкций электроустановок и ухудшают условия их работы.

С другой стороны, нагревание некоторых веществ за счет диэлектрических потерь используется для их сушки или ускорения химических реакций.

Диэлектрики сохраняют свои электроизоляционные свойства до определенных значений напряженности поля. При испытаниях диэлектриков, повышая напряженность электрического поля, достигают таких ее значений, при которых наступает пробой диэлектрика (разрушение его действием сильного электрического поля). Напряжен­ность поля, при которой наступает пробой диэлектрика, называется пробивной напряженностью Еприли электрической прочностью диэлектрика, а напря­жение при пробое — пробивным напряжени­ем Uпр..

Электрическая прочность — основное свойство ди­электриков. Электрическая прочность воздуха в однородном поле — 30 кВ/см, фарфора—150 кВ/см, слюды — 500 кВ/см и т. д.

Рабочие напряженности диэлектриков принимают в несколько раз (например, в 3 раза) меньше их электри­ческой прочности исходя из требований надежности.

Электроизоляционные материалы.Отдельные части электрических устройств, имеющие разные потенциалы (провода электрических линий, обмотки трансформаторов, полюсы генераторов и т. д.) изолируются друг от друга и от земли специальными материалами, которые назы­ваются электроизоляционными. В качестве электроизоля­ционных материалов применяются газообразные, жидкие и твердые диэлектрики.

Из газообразных диэлектриков наибольшее значение имеет воздух, обладающий малыми электропро­водностью и диэлектрическими потерями. Однако электри­ческая прочность воздуха значительно ниже, чем у боль­шинства жидких и твердых диэлектриков.

Жидкие диэлектрики (нефтяные масла, синте­тические жидкости) имеют хорошие электроизоляцион­ные свойства, с их помощью осуществляется гашение дуги в высоковольтных выключателях и охлаждение маслонаполненных аппаратов (за счет циркуляции масла). Недостатком жидких диэлектриков является резкое снижение электроизоляционных свойств при увлажнении и загрязнении.

Из твердых диэлектриков в электрических устройствах применяют:

волокнистые электроизоляционные материалы (ткань, стеклоткань, картон, бумага и др.) — для электроизоля­ции проводов, кабелей, электрических машин, аппаратов, при производстве лакотканей, гибких трубок, слоистых пластиков и т. д.;

слоистые пластики, получаемые прессованием с раз­личными связующими бумаги (гетинакс), тканей (тексто­лит, стеклотекстолит) для изготовления панелей, осно­ваний печатных схем, корпусов, прокладок и других деталей;

слюду и слюдяные изделия — как основной диэлектрик конденсаторов и межэлектродной изоляции в электрон­ных лампах, а также для изоляции электрических машин в тех случаях, если необходима повышенная надежность;

резину — для электроизоляции проводов и кабелей, изготовления гибких трубок, прокладок;

пластмассы — для изготовления фасонных деталей и узлов, требующих сочетания хороших электрических и механических свойств, электрических аппаратов и при­боров, мелких электрических машин и трансформаторов;

керамические материалы — для изготовления высоко­вольтных изоляторов, конденсаторов, каркасов катушек, штепсельных разъемов.

Особую группу твердых диэлектриков составляют сегнетоэлектрики и электреты. Сегнетоэлектрики (сегнетовая соль, титанат бария) в отличие от обычных диэлект­риков обладают способностью самопроизвольно (без внешнего электрического поля) поляризоваться. Они имеют сильную зависимость диэлектрической проницае­мости от напряженности поля, давления и температуры, а также большие значения относительной диэлектри­ческой проницаемости.

Электреты интересны тем, что способны длительное время находиться в наэлектризованном состоянии после снятия внешнего воздействия, вызвавшего поляризацию. Они являются электрическими аналогами постоянных магнитов. Электреты получают из восков и смол, полиме­ров, неорганических диэлектриков, охлаждая их в сильном электрическом поле (термоэлектреты) или облучая све­том фотопроводящие диэлектрики в сильном электри­ческом поле (фотоэлектреты). Применяются электреты в качестве источников постоянного электрического поля в технике связи (микрофоны и телефоны), как чувстви­тельные датчики в дозиметрии, как пьезодатчики и т. д

 

КОНДЕНСАТОРЫ

Электрические конденсаторы предназначены для создания электрического поля и хранения его энергии.

Электрический конденсатор представляет собой два проводника (обкладки), разделенные слоем диэлект­рика. Промышленностью выпускаются бумажные, элект­ролитические, керамические и другие конденсаторы. В бумажном конденсаторе проводниками являются две длинные ленты алюминиевой фольги, а диэлектриком — ленты парафинированной бумаги. В электролитическом конденсаторе роль диэлектрика выполняет тонкий слой окиси на поверхности обкладки из алюминиевой фольги. Конструкция плоского конденсатора показана на рис. 1.6,а; его условное обозначение — на рис. 1.6,б. Конденсатор обладает свойством накапливать и удержи­вать на своих обкладках равные по величине и разные по знаку электрические заряды. Под зарядом q конден­сатора понимают абсолютное значение заряда одной из обкладок.

Конденсатор можно сравнить с газовым баллоном. Баллон заполняется газом под давлением, а конденса­тор заряжается под действием напряжения (рис. 1.7).

Рис. 1.6 Рис. 1.7

Чем больше напряжение, тем больше заряд конденсатора, поэтому «вместимость» конденсатора оценивается не зарядом, а отношением q/U, которое называется емкостью конденсатора:

 

C = q/U. (1.6)

 

Изменение напряжения влечет за собой прямо пропор­циональное изменение заряда конденсатора, поэтому ем­кость конденсатора от напряжения не зависит. Емкость конденсатора численно равна заряду при напряжении один вольт (1).

Единица емкости — фарад (Ф). На практике поль зуются более мелкими единицами — микрофарад (1 мкФ = 10-6 Ф) или пикофарад (1 пФ = 10 -12 Ф). Емкость плоского конденсатора определяется по фор­муле

C = εε0S/d, (1.7)

где S — площадь обкладок; d — расстояние между обкладками. Для создания конденсаторов большой емкости применяют диэлектрики с большой диэлектри­ческой проницаемостью ε.

Следует отметить, что емкостью обладают не только конденсаторы, но и другие элементы электрических устройств, на которых накапливается электрический заряд (провода электрических линий, электроды электронных ламп и др.). Однако нередко емкостью этих устройств принебрегают.

При зарядке конденсатора (рис. 1.7) по проводникам, которыми подключены его обкладки к источнику напря­жения, протекает электрический ток. После зарядки ток отсутствует. Почему? Поступающие в процессе зарядки на обкладки конденсатора заряды отталкивают от себя одноименные вновь прибывающие заряды, т. е. ока­зывают им противодействие. Возрастающее при зарядке напряжение конденсатора Uc направлено встречно току и стремится уравновесить действие напряжения источ­ника U {2).

Зарядка конденсатора продолжается до тех пор, пока Uc < U, и прекращается при

U=Uс

(действие равно противодействию).

Источник напряжения, доставляя заряды на обкладки конденсатора (рис. 1.7), производит работу, значение которой определяется из формулы (1.4): A = Uq. Эта работа численно равна площади графика q(U) (рис. 1.8).

Зависимость заряда q на обкладках конденсатора от напряжения U имеет вид, показанный на рис. 1.9. Площадь графика этой зависимости (по аналогии с рис. 1.8) численно равна энергии электрического поля конденсатора Wэ, которая может быть определена как площадь прямоугольного треугольника:

Wэ = qU/2. (1.8)

На создание электрического поля конденсатора расходуется только

половина работы источника A = qU. Вторая половина этой работы расходуется на нагрев проводов, по которым заряды проходят на обкладки конденсатора.

Из формулы (1.6) q = CU. Подставив это выражение в (1.8), получаем еще одну формулу для энергии конден­сатора:

W3 = CU2/2. (1.9)

Во многих случаях для получения нужной емкости конденсаторы приходится соединять в группу, которая называется батареей. Различают параллельное и по­следовательное соединение конденсаторов.

При параллельном подключении С1,С2, С3 к источнику напряжения (рис. 1.10) все конденсаторы зарядятся до одинакового напряжения, равного напряжению источника U = U1= U2= U3(так как каждый конденсатор присо­единен к полюсам источника). При этом энергия бата­реи Wэ.б , в соответствии с законом сохранения энергии,

Wэ.б=Wэ1+Wэ2+Wэ3(1.10)

Используя формулы (1.9) и (1.10), получаем (учитывая равенство напряжений)

Сб = С1+ С2 + С3

Емкость батареи параллельно соединенных конденса­торов равна сумме емкостей отдельных конденсаторов (3). Рассмотрим последовательное соединение конденсато­ров (рис. 1.11).

На обкладки 1 и 4 заряды поступают от источника питания. Заряды на внутренних обкладках 2 и 3 появляют ся за счет электростатической индукции. В резуль­тате зарядятся все обкладки конденсаторов.

Разряжаясь, батарея отдает заряды с внешних обкла­док. Заряды внутренних обкладок нейтрализуют друг друга, поэтому

qб = q1 = q2

При последовательном соединении конденсаторов за­ряд батареи и каждого конденсатора в отдельности один и тот же (4).

Из формулы (1.6) U — q/C, т. е. при последователь­ном соединении конденсаторов, напряжения на них рас­пределяются обратно пропорционально емкостям от­дельных конденсаторов.

Используя уравнения (1.10) и (1.8) и учитывая равен­ство зарядов, получаем

U=U1+U2

(действие равно сумме противодействий)

Напряжение батареи последовательно соединенных конденсаторов равно сумме напряжений отдельных конденсаторов (5). Поэтому на практике последовательное соединение конденсаторов применяется в тех случаях, когда напряжение источника превышает рабочее напря­жение конденсаторов.

Из положения (5) следует, что q/Cб = q/C1+ q/C2, т. е.

 

l/Cб =l/С1 + l/C2. (1.11)

По этой формуле рассчитывается емкость батареи последовательно соединенных конденсаторов. При после­довательном соединении п одинаковых конденсаторов емкость батареи на основании формулы (1.11)

Сб = С/п.

 

ТЕМА 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ОСТОЯННОГО ТОКА

Похожие статьи:

poznayka.org

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о