Головна

Провідники і діелектрики в електричному полі

  1.  РОЗПОДІЛ ТВЕРДИХ ТІЛ НА метали, діелектрики І НАПІВПРОВІДНИКИ
  2.  Диполь в зовнішньому електричному полі
  3.  діелектрики
  4.  Діелектрика в електростатичне поле
  5.  Діелектрики в електростатичному полі
  6.  Діелектрика в електростатичне поле. ДВА ВИДУ ДІЕЛЕКТРИКІВ
  7.  Діелектрики.

Речовина, внесена в електричне поле, може істотно змінити його. Це пов'язано з тим, що речовина складається з заряджених частинок. Під час відсутності зовнішнього поля частинки розподіляються всередині речовини так, що створюване ними електричне поле в середньому за обсягами, що включає велику кількість атомів або молекул, дорівнює нулю. При наявності зовнішнього поля відбувається перерозподіл заряджених частинок, і в речовині виникає власне електричне поле. Повний електричне поле  складається відповідно до принципу суперпозиції з зовнішнього поля  і внутрішнього поля  створюваного зарядженими частинками речовини.

Речовина різноманітне за своїми електричними властивостями. Найбільш широкі класи речовини становлять провідники і діелектрики.

Основна особливість провідників - наявність вільних зарядів (електронів), які беруть участь в тепловому русі і можуть переміщатися по всьому об'єму провідника. Типові провідники - метали.

Під час відсутності зовнішнього поля в будь-якому елементі обсягу провідника негативний вільний заряд компенсується позитивним зарядом іонної решітки. У провіднику, внесеному в електричне поле, відбувається перерозподіл вільних зарядів, в результаті чого на поверхні провідника виникають нескомпенсовані позитивні і негативні заряди (рис. 1.5.1). Цей процес називають електростатичною індукцією, а що з'явилися на поверхні провідника заряди - індукційними зарядами.

Індукційні заряди створюють своє власне поле  яке компенсує зовнішнє поле  у всьому обсязі провідника:  (Всередині провідника).

Повний електростатичне поле усередині провідника дорівнює нулю, а потенціали у всіх точках однакові і рівні потенціалу на поверхні провідника.

 Малюнок 1.5.1.Електростатіческая індукція

Всі внутрішні області провідника, внесеного в електричне поле, залишаються електронейтральних. Якщо видалити певний обсяг, виділений всередині провідника, і утворити порожню порожнину, то електричне поле усередині порожнини дорівнюватиме нулю. На цьому заснована електростатичний захист - чутливі до електричного поля прилади для виключення впливу поля поміщають в металеві ящики (рис. 1.5.2).

 Малюнок 1.5.2.Електростатіческая захист. Поле в металевій порожнини дорівнює нулю

Так як поверхня провідника є еквіпотенційної, силові лінії біля поверхні повинні бути перпендикулярні до неї.

На відміну від провідників, в діелектриках (ізоляторах) немає вільних електричних зарядів. Вони складаються з нейтральних атомів або молекул. Заряджені частинки в нейтральному атомі пов'язані один з одним і не можуть переміщатися під дією електричного поля по всьому об'єму діелектрика.

При внесенні діелектрика в зовнішнє електричне поле  в ньому виникає певний перерозподіл зарядів, що входять до складу атомів або молекул. В результаті такого перерозподілу на поверхні діелектричного зразка з'являються надлишкові нескомпенсовані пов'язані заряди. Все заряджені частинки, що утворюють макроскопічні пов'язані заряди, як і раніше входять до складу своїх атомів.

Пов'язані заряди створюють електричне поле  яке всередині діелектрика направлено протилежно вектору напруженості  зовнішнього поля. Цей процес називається поляризацією діелектрика. В результаті повне електричне поле  всередині діелектрика виявляється по модулю менше зовнішнього поля

Фізична величина, що дорівнює відношенню модуля напруженості зовнішнього електричного поля в вакуумі до модуля напруженості повного поля в однорідному діелектрику, називається діелектричною проникністю речовини.

Існує кілька механізмів поляризації діелектриків. Основними з них є орієнтаційна і електронна поляризації. Ці механізми проявляються головним чином при поляризації газоподібних і рідких діелектриків.

Орієнтаційна або дипольна поляризація виникає в разі полярних діелектриків, що складаються з молекул, у яких центри розподілу позитивних і негативних зарядів не збігаються. Такі молекули являють собою мікроскопічні електричні диполі - нейтральну сукупність двох зарядів, рівних по модулю і протилежні за знаком, розташованих на деякій відстані один від одного. Дипольниммоментом володіє, наприклад, молекула води, а також молекули ряду інших діелектриків (H2S, NO2 і т.д.).

При відсутності зовнішнього електричного поля осі молекулярних диполів через теплового руху орієнтовані хаотично, так що на поверхні діелектрика і в будь-якому елементі обсягу електричний заряд в середньому дорівнює нулю.

При внесенні діелектрика в зовнішнє поле  виникає часткова орієнтація молекулярних диполів. В результаті на поверхні діелектрика з'являються нескомпенсовані макроскопічні пов'язані заряди, що створюють поле  спрямоване назустріч зовнішньому полю  (Рис. 1.5.3).

 Малюнок 1.5.3.Оріентаціонний механізм поляризації полярного діелектрика

Поляризація полярних діелектриків сильно залежить від температури, тому що тепловий рух молекул відіграє роль дезорієнтуючі фактора.

Електронний або пружний механізм проявляється при поляризації неполярних діелектриків, молекули яких не мають у відсутність зовнішнього поля дипольниммоментом. Під дією електричного поля молекули неполярних діелектриків деформуються - позитивні заряди зміщуються в напрямку вектора  а негативні - в протилежному напрямку. В результаті кожна молекула перетворюється в електричний диполь, вісь якого спрямована вздовж зовнішнього поля. На поверхні діелектрика з'являються нескомпенсовані пов'язані заряди, що створюють своє поле  спрямоване назустріч зовнішньому полю  Так відбувається поляризація неполярного діелектрика (рис. 1.5.4).

Деформація неполярних молекул під дією зовнішнього електричного поля не залежить від їх теплового руху, тому поляризація неполярного діелектрика не залежить від температури. Прикладом неполярной молекули може служити молекула метану CH4. У цієї молекули в чотири рази іонізований іон вуглецю C4 розташовується в центрі правильної піраміди, в вершинах якої знаходяться іони водню H+. При накладенні зовнішнього електричного поля іон вуглецю зміщується з центру піраміди, і у молекули виникає дипольний момент, пропорційний зовнішньому полю.

 Малюнок 1.5.4.Полярізація неполярного діелектрика

Електричне поле  пов'язаних зарядів, що виникає при поляризації полярних і неполярних діелектриків, змінюється за модулем прямо пропорційно модулю зовнішнього поля  У дуже сильних електричних полях ця закономірність може порушуватися, і тоді виявляються різні нелінійні ефекти. У разі полярних діелектриків в сильних полях може спостерігатися ефект насичення, коли всі молекулярні диполі вишиковуються уздовж силових ліній. У разі неполярних діелектриків сильне зовнішнє поле, яке можна порівняти по модулю з внутрішньоатомних полем, може істотно деформувати атоми або молекули речовини і змінити їх електричні властивості. Однак, ці явища практично ніколи не спостерігаються, так як для цього потрібні поля з напруженістю близько 1010-1012 В / м. Тим часом, набагато раніше настає електричний пробій діелектрика.

У багатьох неполярних молекул при поляризації деформуються електронні оболонки, тому цей механізм отримав назву електронної поляризації. Цей механізм є універсальним, оскільки деформація електронних оболонок під дією зовнішнього поля відбувається в атомах, молекулах і іонах будь-якого діелектрика.

У разі твердих кристалічних діелектриків спостерігається так звана іонна поляризація, при якій іони різних знаків, що становлять кристалічну решітку, при накладенні зовнішнього поля зміщуються в протилежних напрямках, внаслідок чого на гранях кристала з'являються пов'язані (нескомпенсовані) заряди. Прикладом такого механізму може служити поляризація кристала NaCl, в якому іони Na+ і Cl- складають дві підґратки, вкладені одна в одну. Під час відсутності зовнішнього поля кожна елементарна комірка кристала NaCl (див. Частина I § 3.6) електронейтральна і не володіє дипольним моментом. У зовнішньому електричному полі обидві підґратки зміщуються в протилежних напрямках, т. Е. Кристал поляризується.

При поляризації неоднорідного діелектрика пов'язані заряди можуть виникати не тільки на поверхнях, але і в обсязі діелектрика. В цьому випадку електричне поле  пов'язаних зарядів і повне поле  можуть мати складну структуру, що залежить від геометрії діелектрика. Твердження про те, що електричне поле  в діелектрику в ? разів менше за модулем в порівнянні з зовнішнім полем  строго справедливо лише в разі однорідного діелектрика, що заповнює весь простір, в якому створено зовнішнє поле. Зокрема:

Якщо в однорідному діелектрику з діелектричної проникністю ? знаходиться точковий заряд Q, То напруженість поля створюваного цим зарядом в деякій точці, і потенціал ? в ? разів менше, ніж у вакуумі:



 Енергія електричного поля |  Електричний струм. Закон Ома

 Електричний заряд - це фізична величина, яка характеризує властивість частинок або тіл вступати в електромагнітні силові взаємодії. |  Точковим зарядом називають заряджене тіло, розмірами якого в умовах даної задачі можна знехтувати. |  Електричне поле |  теорема Гаусса |  Робота в електричному полі. потенціал |  Електроємність. конденсатори |  Електричний струм в металах |  Послідовне і паралельне з'єднання провідників |  Правила Кірхгофа для розгалужених ланцюгів |  Робота і потужність струму |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати