Ivalt.ru

И-Вольт
29 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Ослабление электрического поля внутри диэлектрика возникновение электрического тока

Ослабление электрического поля внутри диэлектрика возникновение электрического тока

§ 5. Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Как нам уже известно, проводник представляет собой тело, которое содержит большое число свободных электронов, заряды которых компенсируются положительными зарядами ядер атомов. Если металлический проводник поместить в электрическое поле (рис. 12), то под влиянием сил поля свободные электроны проводника придут в движение в сторону, противоположную направлению сил поля. В результате этого на одной стороне проводника возникает избыточный отрицательный заряд, а на другой стороне проводника — избыточный положительный заряд.


Рис. 12. Проводник в электрическом поле

Разделение зарядов в проводнике под влиянием внешнего электрического поля называется электризацией через влияние, или электростатической индукцией, а заряды на проводнике — индуцированными зарядами.

Индуцированные заряды проводника создают добавочное электрическое поле, направление которого противоположно внешнему полю.

Результирующее электрическое поле внутри проводника уменьшается, а вместе с ним уменьшаются силы, действующие на перераспределение зарядов. Движение зарядов в проводнике прекратится, когда напряженность поля, вызванного индуцированными зарядами проводника εп, станет равной напряженности внешнего поля εвн, а результирующая напряженность поля внутри проводника будет равна нулю.

Как было указано выше, диэлектрик отличается от проводника отсутствием свободных электронов (точнее, весьма малым количеством свободных электронов). Электроны атомов диэлектрика прочно связаны с ядром атома.

Диэлектрик, внесенный в электрическое поле, так же как и проводник, электризуется через влияние. Однако между электризацией проводника и диэлектрика имеется существенная разница. Если в проводнике под влиянием сил электрического поля свободные электроны передвигаются по всему объему проводника, то в диэлектрике свободного перемещения электрических зарядов произойти не может. Но в пределах каждой молекулы диэлектрика возникает смещение положительного заряда вдоль направления электрического поля и отрицательного заряда в обратном направлении. В результате на поверхности диэлектрика возникнут электрические заряды.

Рассматриваемое явление называется поляризацией диэлектрика.

Различают диэлектрики двух классов. У диэлектриков первого класса молекула в нейтральном состоянии имеет положительный и отрицательный заряды, настолько близко расположенные один к другому, что действие их взаимно компенсируется. Под влиянием электрического поля положительные и отрицательные заряды в пределах молекулы несколько смещаются один относительно другого, образуя диполь * (рис. 13).

* ( Диполем называют два электрических заряда, равных по величине и обратных по знаку, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга.)


Рис. 13. Электрические заряды молекул диэлектрика: а — без внешнего поля, б — при наличии поля

У диэлектриков второго класса молекулы и в отсутствие электрического поля образуют диполи. Такие диэлектрики называются полярными. К ним относятся вода, аммиак, эфир, ацетон и т. д. У таких диэлектриков при отсутствии электрического поля диполи в пространстве расположены хаотически, и вследствие этого результирующее электрическое поле вокруг полярного диэлектрика равно нулю. Под действием внешнего электрического поля молекулы (а стало быть, и диполи) стремятся повернуться так, чтобы их оси совпали с направлением внешнего поля. С устранением электрического поля поляризация диэлектрика исчезает. Таким образом, поляризация представляет собой упругое смещение электрических зарядов в веществе диэлектрика.

При некоторой определенной величине напряженности электрического поля смещение зарядов достигает предельной величины, после чего происходит разрушение — пробой диэлектрика, в результате которого диэлектрик теряет свои изолирующие свойства и становится токопроводящим.

Напряженность электрического поля, при которой наступает пробой диэлектрика, называется пробивной напряженностью εпр. Напряженность поля, допускаемая при работе диэлектрика εдоп, должна быть меньше пробивной напряженности. Отношение

называется запасом прочности.

Приведем значения пробивной напряженности (в кв/мм) для некоторых диэлектриков:

Ослабление электрического поля внутри диэлектрика возникновение электрического тока

§ 36. ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ.

Взаимодействие тел с электрическим полем зависит от того, из каких веществ они состоят, а именно, содержат, или нет, эти вещества заряженные частицы (электроны или ионы), способные свободно перемещаться под действием электрических сил.

Заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться в электрическом поле, называют свободными зарядами, а вещества, содержащие их, — проводниками. Проводниками являются металлы, жидкие растворы и расплавы электролитов. Свободными зарядами в металле являются электроны внешних оболочек атомов, потерявшие с ними связь. Эти электроны, называемые свободными электронами, могут свободно двигаться по металлическому телу в любом направлении. В растворах солей свободными зарядами служат положительно и отрицательно заряженн ые ио ны.

Читать еще:  Розетки больше не нужны

В условиях электростатики, т.е., когда электрические заряды неподвижны, напряжённость электрического поля внутри проводника всегда равна нулю. Действительно, если предположить, что поле внутри проводника всё-таки есть, то тогда на находящиеся в нём свободные заряды будет действовать электрические силы, пропорциональные напряжённости поля, и эти заряды начнут двигаться, а значит, поле перестанет быть электростатическим. Таким образом, электростатическое поле внутри проводника отсутствует.

Исчезновение внутри проводника электростатического поля происходит следующим образом. Пусть металлический проводник в форме шара вносят в электрическое поле, напряжённость которого в данной области постоянна, т.н. однородное поле. Как только это произойдёт, свободные электроны проводника под действием электрических сил начнут перемещаться (см. стрелки на рис. 36а), в результате чего одна часть проводника зарядится положительно, а другая – отрицательно. Этот процесс перемещения закончится тогда, когда образовавшиеся заряды на противоположных частях шара создадут внутри проводника такое поле, которое полностью компенсирует внешнее электрическое поле. После этого напряжённость электрического поля внутри шара станет равной нулю, и свободные заряды опять станут неподвижными. При этом переместившиеся заряды изменят поле снаружи проводника (рис. 36б), а его с иловые линии станут перпендикулярны ми поверхности шара, т.к. составляющая вектора напряжённости , параллельная поверхности проводника , выз вала бы движение его свободных зарядов . Явление, приводящее к исчезновению электростатического поля внутри проводника, называют электростатической индукцией.

Вещества, в которых нет свободных зарядов, называют диэлектриками или изоляторами. Примерами диэлектриков могут служить различные газы, некоторые жидкости (вода, бензин, спирт и др.), а также многие твёрдые вещества (стекло, фарфор, плексиглас, резина и др.).

Существуют два вида диэлектриков – полярные и неполярные. В молекуле полярного диэлектрика положительные заряды находятся преимущественно в одной её части («+» полюс), а отрицательные – в другой («-» полюс). У неполярного диэлектрика положительные и отрицательные заряды одинаково распределены по молекуле.

Во внешнем поле на разноимённые полюса молекулы полярного диэлектрика действуют противоположно направленные силы ( F и – F на рис. 36в), которые стараются повернуть молекулу вдоль вектора напряжённости поля. Внешнее поле действует также и на молекулу неполярного диэлектрика, перемещая внутри неё разноимённые заряды в разные стороны, в результате чего эта молекула становится похожей на молекулу полярного диэлектрика, ориентируясь тоже вдоль линий поля. Таким образом, во внешнем поле заряды в молекулах диэлектрика смещаются в направлении действия электрических сил (рис. 36г). Это явление называют поляризацией диэлектрика.

При поляризации диэлектрика на его противоположных по отношению к внешнему полю поверхностях появляются разноимённые электрические заряды, называемые связанными. Связанные заряды создают в диэлектрике электрическое поле, вектор напряжённости которого направлен противоположно вектору внешнего поля, в результате чего электрическое поле внутри диэлектрика уменьшается в e раз. Величину e называют диэлектрической проницаемостью диэлектрика, которая равна для воздуха — 1,0006, бензина – 2,3, плексигласа – 3,4, стекла — от 5 до 10, а для воды – 81.

Вопросы для повторения:

· Что такое свободные заряды, проводники и диэлектрики?

· Опишите явление электростатической индукции.

· Что такое поляризация диэлектрика?

Рис. 36. Металлический шар в поле до (а) и после (б) электростатической индукции; (в) – силы, действующие на молекулу полярного диэлектрика во внешнем поле; (г) – хаотичная ориентация молекул полярного диэлектрика в отсутствии (верх) и присутствии (низ) внешнего электрического поля, E .

Диэлектрики в электростатическом поле

Урок в 10 классе «Диэлектрики в электростатическом поле» к учебнику Г.Я. Мякишев.Тип урока Изучение нового материала

Просмотр содержимого документа
«Диэлектрики в электростатическом поле»

Диэлектрики в электростатическом поле

Познакомиться:

Диэлектрики – вещества, которые не проводят электрический ток.

  • Примеры:
  • Твердое тело: стекло, фарфор, янтарь, эбонит, кварц, мрамор, смола, керамические материалы, сухое дерево, пластмассы …
  • Жидкости (дистиллированная вода), органические растворители (бензин, керосин), масла (касторовое, льняное)
  • Газ: воздух, неон, гелий
Читать еще:  Можно ли обесточить розетку

0 q » width=»640″

Особенности внутреннего строения диэлектриков

  • Электрический диполь

q

Состоят из молекул, у которых центры распределения «+» и «-» зарядов не совпадают молекулы представляют собой диполи —

Пример : вода, спирт, аммиак

Состоят из атомов или молекул, у которых центры распределения «+» и «-» зарядов совпадают

Пример : инертные газы, водород, кислород, полиэтилен

Поляризация – смещение «+» и «-» зарядов внутри диэлектрика в противоположные стороны

Механизм явления поляризации сводится

к ориентации молекул – диполей по направлению внешнего электрического поля

к деформации под действием внешнего эл.поля молекул диэлектрика и превращению их в диполи, оси которых направлены вдоль поля (ядра в одну сторону, а е в другую

Каково электрическое поле внутри диэлектрика?

  • Существует ли электрическое поле внутри диэлектрика …

при отсутствии внешнего поля?

при наличии внешнего поля?

  • Почему возникает электрическое поле в диэлектрике, помещенном во внешнее электрическое поле, если движения зарядов в диэлектрике нет?
  • Как направлено результирующее электрическое поле в диэлектрике?
  • Больше или меньше оно по величине внешнего электрического поля?

Диэлектрик в электростатическом поле

Диэлектрик в электростатическом поле

  • Связанные заряды создают в диэлектрики эл.поле Е 1 направленное против внешнего поля зарядов на пластинах (рис. 14.23 стр. 268)
  • Поле внутри диэлектрика ослабляется

Е 0 – электрическое поле в вакууме

Е – электрическое поле диэлектрика

Е 1 – электрическое поле связанных зарядов

Диэлектрическая проницаемость среды

  • Физическая величина характеризующая поле в диэлектрике
  • Диэлектрическая проницаемость среды показывает во сколько раз напряженность поля в вакууме больше чем в данной среде.

  • Внутри диэлектрика средний связанный электрический заряд равен нулю
  • Внутри диэлектрика существует электрическое поле
  • Поле в диэлектрике слабее внешнего поля в ε раз

  • Понятие
  • Примеры
  • Основное отличие в строении
  • Что происходит с телом при внесении в электрическое поле?
  • Чему равен заряд внутри тела, внесенного в электрическое поле?
  • Существует ли поле внутри заряженного тела при внесении его в электрическое поле?
  • Применение электрических свойств данных веществ в технике?

  • § 94, 95 прочитать
  • Вопросы устно
  • упр. 17 № 1,2

Диполь в неоднородном внешнем электрическом поле

Если диполь помещен в неоднородное внешнее электрическое поле, то силы, действующие на заряды q+ и q, не равны по величине и направлению, так как напряженность электрического поля в точках расположения зарядов не одинакова по величине, отличается на величину

, (3.5)

где a — угол между направлением вектора напряженности электрического поля E и направлением электрического дипольного момента p.

В этом случае на отрицательный заряд действует сила

.

На положительный заряд действует сила

.

Результирующая сила, действующая на диполь,

(3.6)

Под действием этой силы диполь будет либо втягиваться в область более сильного поля ( ), либо выталкиваться из него ( ) (рис. 3.4).

Такое же действие оказывает электрическое поле на молекулы диэлектрика.

3.2. Свободные и связанные (поляризационные) заряды
в диэлектриках. Поляризация диэлектриков.
Вектор поляризации (поляризованность)

Так как на молекулы диэлектрика во внешнем однородном электрическом поле действуют силы, стремящиеся развернуть их так, чтобы их электрический дипольный момент был направлен по направлению поля, то при определенных условиях может получиться так, что все молекулы диэлектрика сориентируются в поле и их электрические дипольные моменты будут направлены по направлению внешнего электрического поля. На поверхностях диэлектрика в этом случае «появятся» заряды обоих знаков с поверхностной плотностью +s ‘ и -s ‘ (рис. 3.5).

Процесс «появления» зарядов на диэлектриках во внешнем электрическом поле называют поляризацией диэлектрика. «Появившиеся» заряды называют связанными (поляризационными).

Различные вещества поляризуются по-разному в зависимости от их строения. Наиболее часто встречаются следующие виды поляризации диэлектриков:

а) деформационная поляризация – это поляризация диэлектриков, при которой у атомов возникает (индуцируется) дипольный момент за счет деформации электронных орбит. Наблюдается у диэлектриков, состоящих из неполярных молекул у веществ, молекулы которых имеют симметричное строение (N2, H2, O2, CO2, CH4);

б) ориентационная, или дипольная поляризация, которая заключается в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул по направлению электрического поля. Естественно, что тепловое движение препятствует полной ориентации молекул, но в результате совместного действия обоих факторов (электрического поля и теплового движения) возникает преимущественная ориентация дипольных моментов по полю. Ориентация тем сильнее, чем больше напряженность электрического поля и ниже температура. Она характерна для диэлектриков, состоящих из полярных молекул веществ, молекулы которых имеют асимметричное строение, т. е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов не совпадают. К таким веществам, например, относятся H2O, NH3, SO2, CO;

Читать еще:  Коронки для сверления бетона для розеток

в) ионная поляризация, которая заключается в смещении подрешетки положительных ионов вдоль поля, а отрицательных ионов — против поля. Смещение подрешеток приводит к возникновению дипольных моментов и ²появлению² на поверхности диэлектрика связанных зарядов. Наблюдается у диэлектриков, имеющих ионную кристаллическую решетку (например, у таких веществ, как NaCl, KCl, KBr).

При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле он поляризуется, т.е. приобретает отличный от нуля электрический дипольный момент:

, (3.7)

где pi – дипольный момент одной молекулы.

Для количественной характеристики поляризации диэлектриков вводится в рассмотрение физическая величина, численно равная электрическому дипольному моменту единицы объема диэлектрика:

. (3.8)

Эта величина называется вектором поляризации, или поляризованностью. Если поле или диэлектрик однородны, то вектор поляризации одинаков по всему объему. Такую поляризацию называют однородной. Если эти условия не выполняются, то поляризацию называют неоднородной.

У большинства диэлектриков, кроме так называемых сегнетоэлектриков, вектор поляризации пропорционален напряженности внешнего электрического поля:

, (3.9)

где c – диэлектрическая восприимчивость вещества, не зависящая от напряженности внешнего электрического поля.

Между вектором поляризации P и поверхностной плотностью связанных зарядов s ‘ имеется связь

, (3.10)

т. е. поверхностная плотность связанных зарядов равна нормальной составляющей вектора поляризации в данной точке поверхности диэлектрика.

При совпадении направления нормальной составляющей вектора поляризации с направлением положительной нормали к поверхности Pn>0 и s ‘ >0, при несовпадении — Pn ‘ 0) — s ‘ >0, где входят в диэлектрик (En

. (3.12)

С учетом того что , уравнение (3.12) можно переписать в виде

, (3.13)

где – относительная диэлектричес-кая проницаемость среды.

Если в поле, созданное в вакууме бесконечно заряженными плоскостями, внести пластину из однородного диэлектрика так, чтобы её боковые грани были параллельны плоскостям, то на поверхностях пластины «появятся» связанные заряды с поверхностной плотностью s ‘ , которые создают свое электрическое поле, направленное в сторону, противоположную внешнему полю (рис. 3.7).

Внутри диэлектрика в этом случае существует результирующее электрическое поле с напряженностью

, (3.14)

где – напряженность внешнего электрического поля;

– напряженность электрического поля связанных зарядов.

. (3.15)

Вне диэлектрика напряженность внешнего поля равна напряженности результирующего электрического поля.

Так как поле перпендикулярно граням пластины и плоскостям, то En = E, а с учетом того, что , выражение (3.15) можно переписать так:

. (3.16)

Из формулы (3.16) имеем

,

,

. (3.17)

Следовательно, относительная диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз электрическое поле ослабевает за счет диэлектрика.

Индукция электрического поля D внутри диэлектрика и вне диэлектрика одинакова, т.к. при умножении на ee имеем

, или , (3.18)

где D = eeE– индукция (электрическое смещение) электрического поля внутри диэлектрика;

Do = eE – индукция (электрическое смещение) электрического поля вне диэлектрика.

Таким образом, индукция электрического поля в диэлектрике изменяет свое направление, но не изменяет свою величину, в то время как напряженность электрического поля E ¹ Eo. Полученный результат справедлив для любых электрических полей.

Следовательно, на границе раздела двух сред происходит изменение вектора напряженности электрического поля E (уменьшается число силовых линий вектора E), а вектор индукции электрического поля не изменяется (изменяется лишь вид силовых линий вектора D). Отсюда вывод: поток вектора индукции электрического поля через любую замкнутую поверхность остается величиной постоянной.

Для потока вектора индукции электрического поля D справедлива теорема Остроградского-Гаусса: поток вектора индукции электрического поля через любую замкнутую поверхность равен алгебраической сумме электрических зарядов, заключенных внутри этой замкнутой поверхности.

Математически эту теорему можно записать так:

. (3.19)

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector