Ivalt.ru

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

Почему диэлектрик плохо проводит электрический ток

Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики

  • Что такое проводник
  • Что такое диэлектрик
  • Что такое полупроводник
  • Зонная теория

Что такое проводник

Вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов, называют проводником. Движение свободных носителей называют тепловым. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) – величина обратная сопротивлению.

Говоря простыми словами – проводник проводит ток.

К таким веществам можно отнести металлы, но если говорить о неметаллах то, например, углерод – отличный проводник, нашел применение в скользящих контактах, например, щетки электродвигателя. Влажная почва, растворы солей и кислот в воде, тело человека – тоже проводит ток, но их электропроводность зачастую меньше, чем у меди или алюминия, например.

Металлы являются отличными проводниками, как раз таки благодаря большому числу свободных носителей зарядов в их структуре. Под воздействием электрического поля заряды начинают перемещаться, а также перераспределяться, наблюдается явление электростатической индукции.

Что такое диэлектрик

Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, или проводят, но очень плохо. В них нет свободных носителей зарядов, потому что связь частиц атома достаточно сильная, для образования свободных носителей, поэтому под воздействием электрического поля тока в диэлектрике не возникает.

Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухая древесина, резина – являются диэлектриками и не проводят электрический ток. В быту диэлектрики встречаются повсеместно, например, из них делаются корпуса электроприборов, электрические выключатели, корпуса вилок, розеток и прочее. В линиях электропередач изоляторы выполняются из диэлектриков.

Однако, при наличии определенных факторов, например повышенный уровень влажности, напряженность электрического поля выше допустимого значения и прочее – приводят к тому, что материал начинает терять свои диэлектрические функции и становится проводником. Иногда вы можете слышать фразы типа «пробой изолятора» — это и есть описанное выше явление.

Если сказать кратко, то основными свойствами диэлектрика в сфере электричества являются электроизоляционные. Именно способность препятствовать протеканию тока защищает человека от электротравматизма и прочих неприятностей. Основной характеристикой диэлектрика является электрическая прочность – величина равная напряжению его пробоя.

Что такое полупроводник

Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных условий – сообщении веществу энергии в нужных количествах. Это связано с тем, что свободных носителей (дырок и электронов) зарядов слишком мало или их вовсе нет, но если приложить какое-то количество энергии – они появятся. Энергия может быть различных форм – электрической, тепловой. Также свободные дырки и электроны в полупроводнике могут возникать под воздействием излучений, например в УФ-спектре.

Где применяются полупроводники? Из них изготавливают транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы, светодиоды и прочее. К таким материалам относят кремний, германий, смеси разных материалов, например арсенид-галия, селен, мышьяк.

Чтобы понять, почему полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, нужно рассматривать эти материалы с точки зрения зонной теории.

Зонная теория

Зонная теория описывает наличие или отсутствие свободных носителей зарядов, относительно определенных энергетических слоев. Энергетическим уровнем или слоем называют количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – простых частиц), их измеряют в величине Электронвольты (ЭВ).

На изображении ниже показаны три вида материалов с их энергетическими уровнями:

Обратите внимание, что у проводника энергетические уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это называется зоной перекрытия. В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и прочих факторов количество электронов может изменяться. Благодаря вышеописанному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сообщить им какое-то минимальное количество энергии.

У полупроводника между зоной валентности и зоной проводимости присутствует определенная запрещенная. Ширина запрещенной зоны описывает, какое количество энергии нужно сообщить полупроводнику, чтобы начал протекать ток.

У диэлектрика диаграмма похожа на ту, которая описывает полупроводники, однако отличие лишь в ширине запрещенной зоны – она здесь во много раз большая. Различия обусловлены внутренним строением и вещества.

Мы рассмотрели основные три типа материалов и привели их примеры и особенности. Главным их отличием является способность проводить ток. Поэтому каждый из них нашел свою сферу применения: проводники используются для передачи электроэнергии, диэлектрики – для изоляции токоведущих частей, полупроводники – для электроники. Надеемся, предоставленная информация помогла вам понять, что собой представляют проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле, а также в чем их отличие между собой.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:

Наверняка вы не знаете:

. Почему дистиллированная вода – . диэлектрик?

Дистиллированная вода, как известно, плохо проводит электрический ток, по сути – является изолятором. Чтобы проводить ток в жидкой среде нужны носители этого тока: положительные и отрицательные ионы. В водяных растворах – это ионы солей и примесей, поэтому растворы хорошо проводят электрический ток, а чистая дистиллированная вода, или бидистиллят или вода высокой чистоты (ВВЧ) – нет, не проводит ток.

Для того, чтобы не проводить ток вода должна быть нейтральной, то есть иметь взаимно компенсированные заряды отдельных ее частей и – в целом. Поскольку известно, что молекулы воды полярны, то их полярные заряды тоже должны быть компенсированы. И, наконец, структурные образования жидкой воды должны иметь какой-нибудь один заряд (плюс или минус), а не два одновременно: тогда, вследствие отсутствия одного из полярных носителей тока, его и не будет (это если вода не совсем нейтральна).

Из простого уравнения химической реакции образования воды 2Н2 + О2 = 2Н2О следует, что в левой части располагаем двумя электронами связи в каждой молекуле водорода и одним электроном связи в молекуле кислорода – всего пятью электронами 2 х 2е + 1е = 5е. Поскольку каждая из совокупности молекула воды должна быть одинаковой, то на одну молекулу воды должно приходиться два целых электрона связи кислорода с водородом, а поскольку молекул (в реакции) – две, то они ассимилируют четыре электрона, а пятый располагаемый по реакции электрон становится электроном связи полученных двух молекул воды. Тогда цепочка молекул воды выстраивается в следующем виде:

и т. д.

Всего монокристалл воды содержит 3761 молекулу Н2О. Итак, в жидкой воде все молекулы Н2О – одинаковы, каждая имеет по два электрона связи водорода с кислородом, и каждая предыдущая соединена с последующей в монокристалле одним электроном связи самих молекул воды. В принципе можно считать, что молекул воды Н2О с двумя и тремя электронами – поровну, но в таком рассуждении суть все же теряется, так как молекулы должны быть одинаковы и соединены между собой электронами связи.

Проверим баланс электрических зарядов цепочки молекул воды. Не повторяя расчетов, данных в книге /6/, запишем результат: каждая молекула воды с двумя электронами связи имеет избыточный заряд . В то же время электрон связи двух соседних молекул имеет заряд . В цепочке монокристалла воды на один электрон связи молекул воды приходится по половине заряда соединяемых им двух молекул, так как остальные половинки зарядов этих молекул отданы другим электронам связи (справа и слева от рассматриваемых двух молекул воды). Как видно, получается почти баланс зарядов , что составляет от заряда одной молекулы воды.

Читать еще:  Розетка наружная влагозащищенная с крышкой легранд

Как видно, жидкая дистиллированная вода является почти нейтральной и имеет слабый положительный избыточный электрический заряд, составляющий всего 0, 025% от заряда молекулы воды: этого достаточно, чтобы вода была диэлектриком и плохо проводила электрический ток.

Что такое диэлектрик

Очень многие школьники и студенты не любят физику из-за большого количества заумных слов и странных формул. Одной из таких загадочный тем становятся диэлектрика. Что это, где она применяется и зачем вообще нужна? Дети никак не могут понять, а учителя нормально не объясняют важную информацию. Именно поэтому сегодня я, учитель физики, хочу помочь студентам и школьникам в изучении диэлектрики.

Диэлектрики или изоляторы – это вещества, которые немного или вообще не проводят ток. К ним можно отнести все неприводимое: воздух, газы, древесину, стекло, пластмассу и многое другое. Они применяются во многих технологиях и машинах, позволяют ограничить распространение тока.

Возьмем, например, пластик. Если мы поместим небольшой кусок в электризованную среду, то заметим необычное явление: он начнет притягиваться к положительным или отрицательным зарядам. Но как только мы выключим поле, все прекратится. Пластик перестанет притягиваться и останется на месте.

Собственно, этот эксперимент и показывает, что изоляторы не могут переводить ток, а являются для него некой преградой, которая мешает ему, распространится дальше. И если даже электричество проходит, то в минимальных, безвредных количествах.

Иногда происходит очень сильная путаница со свойствами диэлектриков. Многие дают им бесполезные и невозможные функции, которые никогда не встречались у этих материалов, или, наоборот, – убирают. Сейчас я кратко и быстро расскажу вам о всех свойствах диэлектриков.

Свойства диэлектриков

Водонепроницаемость

Твердые диэлектрики могут мешать проникновению влаги внутрь. Благодаря этому свойству их часто используют для уличного оборудования. Причем это относится не только к воде, но и прочим жидкостям, например, напиткам, сокам, молоку и так далее.

Теплозащита

Диэлектрики отлично переносят сильные температуры. Например, не зря их использую в космосе, где полоска термометра бывает ниже -90°C. Именно поэтому диэлектрики – отличный помощник в сильные морозы и жаркие дни.

Сдерживаемость радиации

Диэлектрики не пропускают радиацию, щелочи и кислотные вещества. Это очень важно, при возникновении утечки на станциях и заводах, где есть опасные химические элементы. Изоляторы, без какого-либо преувеличения, могут спасти тысячи людей от смерти.

Поляризация

Удивительное свойство, которое присутствует исключительно у диэлектриков. Благодаря ему неприводимые материалы могут притягиваться к проводимым и тем самым создавать целую цепь. Это свойство используется повсеместно, почти во всех технологиях и машинах.

Ослабление внешнего поля

Диэлектрики помогают сделать внешнее давление более слабым и тем самым безопасным. Они контролируют поле и помогают его использовать в различных целях. Очень важное свойство, позволяющее сделать работу более безопасной.

Виды диэлектриков

У многих школьников или студентом возникает сильная путаница с классификацией диэлектриков. Они просто не понимают, какие есть группы и на что они делятся. Сейчас я попытаюсь вам понятно все объяснить, чтобы, прочитав один раз, вы поняли навсегда.

Классификация по агрегатному состоянию

По агрегатному состоянию выделяется три основных вида диэлектриков:

  • твердые – это стекло, пластик, керамика и подобные вещества. Они используются в специализированных станциях и заводах, позволяют ограничить распространение тока и сделать среду более безопасной для окружающих;
  • жидкие – это масла, спреи, дистиллированная вода, которые снабжаются в различных машинах и технологиях. Например, это трансформаторы, которые просто не могут работать без изоляторов;
  • газовые – к этому типу относятся исключительно азот, который чаще всего используют для того, чтобы понизить их температуру. Это позволяет обезопасить технику от сильного перегрева и возможного взрыва.

Классификация по происхождению

По происхождения изоляторы бывают органическими и неорганическими:

  • органические – это диэлектрики, которые добываются в окружающей среде и были созданные не под влиянием человека. Они используются крайне редко, из-за их малого количества свойств;
  • неорганические – эти изоляторы создаются самими людьми и чаще всего используются в производстве и деятельности. Они отлично останавливают ток и блокируют его распространение.

Способы применения

Многие мои ученики думают, что диэлектрики применяются везде, где есть хоть какие-либо технологии, в каждой машине и приборе. Но это ошибочное мнение, потому что они используются исключительно в тех случаях, когда необходимо ограничить распространение электрического тока и обезопасить окружающую среду.

У диэлектриков есть большое количество способов применения. Например, жидкие непереводные вещи используются в создании разных видов масел, которые применяются в транспортных средствах, помогают укрепить промышленные детали и сделать электроизоляцию.

Газовые диэлектрики – это азот. Его применение очень широко. Многие используют азот для охлаждения промышленных приспособлений или химических смесей, а во многих печках он помогает избежать сильной газовой протечки, а также часто применяется в высокоточных переключателях. Их можно встретить в каждом доме, в котором присутствуют какие-либо газовые приборы.

Огромное спектр применения у твердых диэлектриков. Например, они применяются в проводах, электронных машинах, на станциях и так далее. Эти компоненты используются даже в космосе для поддержки кораблей. Твердые диэлектрики более практичные и многофункциональные, чем прочие агрегатные компоненты, вследствие этого их можно встретить намного чаще.

Диэлектрики есть везде, даже в вашем доме. Посмотрите на свои провода, электронные приборы и считок. Везде есть диэлектрики, которые позволяют приостановить продвижения тока и тем самым ограничить его воздействие на людей. Это очень важный компонент, без которого не смогло бы существовать половина приборов и машин.

Электростатика: элементы учебной физики

Лекция 7. Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Настало время исследовать явления, происходящие при введении в электрическое поле проводников и диэлектриков. К этому моменту учащиеся уже владеют основными понятиями, изучили физические величины, законы электростатики и представляют себе их экспериментальное обоснование. Поэтому они готовы к анализу существующих фактов, выдвижению правдоподобных гипотез, построению теоретических моделей явлений, выводу следствий из предложенных моделей и их экспериментальному обоснованию.

Учебно-исследовательская деятельность теперь может быть организована главным образом в форме постановки и выполнения экспериментальных заданий. Это, разумеется, не исключает более серьёзных работ, направленных на создание новых учебных экспериментов. Большой интерес для учащихся может представить исследование в электрическом поле привычных для них твёрдых, жидких и газообразных объектов. Экспериментальные задания этого этапа помимо прочего должны способствовать углублению сформированных понятий напряжённости и потенциала электрического поля.

7.1. Проводники в электростатическом поле

Проводники отличаются от диэлектриков тем, что у них высока концентрация свободных носителей заряда. В металлах ими являются свободные электроны, которые в отличие от связанных электронов способны перемещаться по всему объёму тела. Появление свободных электронов обусловлено тем, что в атомах металлов валентные электроны слабо взаимодействуют с ядрами и легко утрачивают связи с ними. Поэтому металл представляет собой кристаллическую решётку, в узлах которой расположены положительные ионы, окружённые отрицательным электронным газом.

Внесём в электростатическое поле напряжённостью Е металлическое тело. В первый момент внутри проводника возникает поле той же напряжённости Е. Оно действует на свободные электроны, и те перемещаются против поля Е. По мере перераспределения электронов в проводнике возникает внутреннее поле E, направленное противоположно внешнему полю Е. Электроны перемещаются до тех пор, пока результирующее поле внутри проводника не станет равно нулю: Е = ЕE’ = 0.

Читать еще:  Устанавливаем розетку под плиту

Этот факт учащиеся уже неоднократно подтвердили экспериментом. Понятно, что замкнутая проводящая оболочка полностью экранирует находящуюся внутри неё область от внешних электрических полей, следовательно, может являться электростатической защитой.

7.2. Электростатическое изображение

Пусть два одинаковых по модулю и противоположных по знаку точечных заряда +q и –q находятся на некотором расстоянии друг от друга. Созданное ими электростатическое поле характеризуется системами взаимно перпендикулярных силовых линий и эквипотенциальных поверхностей. Одной из таких поверхностей является плоскость, проходящая через середину отрезка, соединяющего заряды. Потенциал этой плоскости равен нулю, т.к., согласно принципу суперпозиции, для точек, находящихся на равных расстояниях r1 = r2 от зарядов:

Теперь совместим с этой плоскостью тонкую проводящую пластину и заземлим её. Поле при этом не изменится, поскольку все точки пластины будут иметь одинаковый (нулевой) потенциал. Если убрать заряд –q, находящийся за проводящей пластиной, то поле перед ней останется прежним.

Отсюда следует, что, если к точечному заряду поднести тонкую проводящую заземлённую пластину, то электрическое поле между зарядом и пластиной будет в точности таким же, как поле, созданное реальным зарядом и его мнимым изображением противоположного знака в пластине, как в зеркале.

Метод электростатических изображений, не отличаясь универсальностью, всё же позволяет упростить решение многих задач.

7.3. Диэлектрики в электростатическом поле

У диэлектриков электроны связаны с атомами и не могут под действием электрического поля свободно перемещаться. Так как концентрация свободных носителей заряда ничтожно мала, электростатическая индукция отсутствует. Поэтому напряжённость поля внутри диэлектрика не обращается в нуль, а лишь в большей или меньшей степени уменьшается.

В этом можно убедиться, поставив следующие опыты. На электрометре закрепим металлическую пластину и зарядим её. Поднесём к заряженной пластине другую металлическую пластину и увидим, что показания электрометра уменьшились. Это объясняется тем, что за счёт электростатической индукции на ближайшей поверхности поднесённого проводника возникает заряд противоположного знака.

Теперь вместо металлической поднесём к заряженной пластине нейтральную диэлектрическую пластину. Вновь увидим, что показания электрометра уменьшились. Значит, и на поверхности диэлектрика в электрическом поле также возникают заряды. Отсюда следует, что диэлектрик, помещённый во внешнее электрическое поле, оказывает на него влияние, создавая своё электрическое поле, уменьшающее внешнее.

В электрическое поле заряженного шара внесём нейтральную диэлектрическую палочку на нити и обнаружим, что палочка поворачивается, располагаясь вдоль силовой линии поля. Значит, палочка становится диполем – концы её приобретают заряды противоположных знаков.

7.4. Полярные и неполярные диэлектрики

Если молекула состоит из двух ионов (K + Сl – ), один из которых положительный, а другой отрицательный, то центры распределения положительного и отрицательного зарядов не совпадают. Такие молекулы и состоящие из них диэлектрики называются полярными.

Если молекула состоит из одного или нескольких одинаковых атомов (например, Н2), то центры распределения отрицательного и положительного зарядов совпадают, и она называется неполярной молекулой, а диэлектрик – неполярным диэлектриком.

7.5. Поляризация диэлектриков

Неполярные атомы и состоящие из них молекулы нейтральны. Полярные молекулы в первом приближении можно считать диполями. Из-за теплового движения полярные молекулы ориентированы беспорядочно, поэтому заряд и напряжённость электрического поля в диэлектрике в среднем равны нулю.

Поместим полярный диэлектрик в однородное электростатическое поле E, созданное параллельными пластинами, которым сообщили заряды противоположных знаков. На диполи в однородном поле действует вращающий момент. В результате молекулы-диполи стремятся развернуться вдоль силовых линий. Чем больше напряжённость поля и ниже температура диэлектрика, а значит, и интенсивность хаотического движения, тем выше степень ориентации диполей.

При помещении в электрическое поле неполярных диэлектриков происходит деформация атомов, в результате чего центр распределения положительного заряда смещается по полю, а центр распределения отрицательного заряда – против поля. Так, неполярная молекула превращается в диполь, ось которого сонаправлена с полем, а длина определяется напряжённостью поля.

При внесении диэлектрика в электрическое поле вследствие переориентации или деформации молекул на его поверхностях возникают связанные электрические заряды. Это явление называется поляризацией диэлектрика.

Связанные заряды на поверхности тела создают внутри него электрическое поле E’, направленное противоположно внешнему полю E. Результирующая напряженность Е = E + E’ оказывается меньше E, т.е. Е = ЕE’ U/d. Диэлектрическую проницаемость диэлектрика определите по формуле

Демонстрационный эксперимент целесообразно провести так. Покажите учащимся лист стекла толщиной 4 мм, диэлектрическую проницаемость которого вы будете измерять. Собрав установку, включите высоковольтный источник, установите напряжение U = 0,5 кВ и прикоснитесь его выводами к стержню и корпусу электрометра. Стрелка прибора отклонится. Выключите источник и удалите из промежутка между электродами стеклянную пластину. Стрелка электрометра отклоняется больше. Запомните показание, электрометр разрядите, к нему подключите выводы высоковольтного источника, включите источник и повышайте напряжение до тех пор, пока стрелка электрометра не отклонится на то же число делений. По цифровому измерителю источника прочитайте значение напряжения U между электродами для случая, когда пластина удалена, и по формуле = U/U вычислите значение диэлектрической проницаемости. В наших опытах для пластины из оконного стекла толщиной 4 мм получилось U = 2,1 кВ, следовательно, диэлектрическая проницаемость стекла = 4,2.

Это совсем неплохой результат для демонстрационного опыта. Заметим, что лучше не использовать в качестве диэлектриков полимерные материалы, т.к. придётся специально избавляться от их случайной электризации или поляризации.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Что происходит в проводниках и диэлектриках при внесении их в электростатическое поле?

2. Предложите демонстрационный эксперимент, в котором учащиеся воочию убеждаются, что в проводнике имеются свободные носители заряда, а в диэлектрике они отсутствуют.

3. Детально объясните, почему для определения потенциала в точке поля необходимо использовать пламенный зонд. Возможно ли отказаться от пламени и чем его в таком случае можно заменить?

4. Предложите простой способ, позволяющий в демонстрационным опыте нарисовать эквипотенциальные линии исследуемого электростатического поля.

5. Предложите методику формирования понятия эквипотенциальности поверхности проводника в электростатическом поле.

6. Какие процессы происходят в воздухе вокруг острия, имеющего значительный потенциал относительно Земли?

7. В чём физическая сущность метода электростатических изображений?

8. Детально объясните результат опыта по поляризации диэлектрической плёнки, помещённой в электрическое поле.

9. Оцените дидактическую эффективность методики определения диэлектрической проницаемости стекла непосредственно на уроке.

10. С какой целью и где применяются электреты в современных условиях?

Беляев И.П., Дружинин В.П., Шефер Н.И. Демонстрация электретных свойств диэлектриков. – Физика в школе, 1981, № 6.

Беляев И.П., Дружинин В.П., Шефер Н.И. Исследование электретных свойств диэлектриков. – Физика в школе, 1981, № 3.

Беляев И.П., Дружинин В.П., Рожков И.Н. Электретный эффект: Учебно-методическое пособие. – Оренбург: Изд-во ОГПИ, 1997.

Калашников С.Г. Электричество. – М.: Физматлит, 2004.

Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы. Т. 2. Электричество. Оптика. Физика атома: Под ред. А.А.Покровского. – М.: Просвещение, 1972.

Шахмаев Н.М., Шилов В.Ф. Физический эксперимент в средней школе: Механика. Молекулярная физика. Электродинамика. – М.: Просвещение, 1989.

Продолжение см. в № 24/07

Почему диэлектрик плохо проводит электрический ток

ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ

Диэлектрики — вещества, относительно плохо проводящие электрический ток (в 1015 ¸ 1020 хуже, чем металлические проводники). Термин “диэлектрики” (от греческого dia ¢ — через и английского electric — электрический) введен М. Фарадеем для обозначения сред, через которые проникает электростатическое поле, в отличие от металлов-проводников, экранирующих это поле. Диэлектрики при не слишком высоких температурах практически не содержат свободных электрических зарядов — зарядов, способных двигаться в электрических полях как угодно малой напряженности.

Читать еще:  Зубчатая линия выше розетки кардии

Поскольку любое материальное тело представляет собой электрическую систему, состоящую, в отсутствие внешних воздействий, из равных количеств положительно и отрицательно заряженных частиц, предложено ввести следующую классификацию электрических зарядов: в электронейтральных телах — связанные, неспособные перемещаться в электрических полях не слишком высокой напряженности (менее

105 В/м) и свободные, способные к такому перемещению; чтобы получить электрически заряженное тело, ему необходимо сообщить избыточный заряд соответствующего знака и величины.

Поляризация диэлектриков и поляризационные заряды

В диэлектрике, помещенном во внешнее электрическое поле, происходит особый процесс, называемый поляризацией. Поляризация диэлектрика заключается в том, что элементарные объемы диэлектрика и весь диэлектрик в целом приобретают некоторый определенный электрический момент: вследствие смещения элементарных связанных электрических зарядов возникает упорядочение в расположении связанных зарядов. Макроскопически это выглядит как электрический диполь — система двух одинаковых по величине точечных или распределенных зарядов q, удаленных друг от друга на расстояние l, называемое плечом электрического диполя (рис.1).

Рис.17.1. Электрический диполь.

Электрический диполь характеризуется дипольным моментом

p = q × l, направленным как на рис.17.1.

Количественной характеристикой интенсивности поляризации является величина, называемая вектором поляризации Р. Вектор поляризации численно равен электрическому моменту единицы объема поляризованного диэлектрика. Если вектор поляризации во всех точках диэлектрика одинаков, то поляризация называется однородной. Если же вектор Р в разных точках различается по направлению или по величине, то поляризация считается неоднородной. При неоднородной поляризации в диэлектрике могут возникнуть объемные заряды.

В случае однородной поляризации

где pi — электрический момент i — ой молекулы;

D V — произвольный объем диэлектрика.

Если поляризация неоднородна, вектор поляризации различается от точки к точке и может быть найден как

У диэлектриков любого типа (кроме сегнетоэлектриков) в не очень сильных электрических полях вектор поляризации связан с напряженностью поля в той же точке простым линейным соотношением:

где æ — не зависящая от Е безразмерная величина, называемая диэлектрической восприимчивостью, зависящая от атомно-молекулярного и электронного строения вещества; e 0 = 8,85 × 10-12 Ф/м — электрическая постоянная.

Поляризация сопровождается появлением на противоположных гранях твердотельного диэлектрика тонких (моноатомного размера) заряженных слоев. Эти заряды противоположного знака, возникающие на поверхности диэлектрика под действием внешнего электрического поля, называются поляризационными или связанными (в целом тело остается электронейтральным). На рис.17.2 на примере образца кристалла типа NaCl показано, как это происходит (масштаб перемещений сильно искажен). Связанные заряды, в отличие от свободных, не могут быть “сняты” с поверхности теле, в частности, их нельзя отвести в землю при заземлении диэлектрика.

Рис. 17.2. Ионный кристалл без поля (а) и при наличии однородного внешнего электрического поля (б).

Распределение поляризационных зарядов по поверхности диэлектрика характеризуются поверхностной плотностью зарядов s ¢ :

где dQ — поляризационный заряд, сосредоточенный на площадке dS.

Вектор поляризации Р и поверхностная плотность связанных зарядов s — величины взаимосвязанные. Установим эту связь на простом частном примере. Пусть однородный диэлектрик внесен в однородное электрическое поле. Благодаря поляризации диэлектрика на его поверхностях появляются поляризационные заряды с одинаковой по величине и противоположной по знаку плотностью: | s ¢ + | = | s ¢ — | . Выделим в диэлектрике, находящемся в поле, элементарный объем в виде цилиндра с площадью основания dS, в общем случае основания ориентированы под некоторым углом a к вектору Е, образующие цилиндра для простоты вывода пусть будут параллельны Е (рис.3).

Рис. 17.3. К определению связи вектора поляризации с плотностью связанных

На каждом из оснований цилиндра находится связанный заряд, численно равный dQ ¢ = s ¢ × dS. Рассматривая этот цилиндр как большой диполь, найдем его дипольный момент:

По определению вектора поляризации его численное значение равно:

где — объем цилиндра;

площадь проекции основания цилиндра на плоскость, перпендикулярную вектору Е. С учетом этого, вектор поляризации равен

проекция вектора поляризации на внешнюю нормаль. Тогда

Таким образом, нормальная составляющая вектора поляризации численно равна поверхностной плотности поляризационных зарядов. Необходимо обратить внимание на то, что соотношение (17.4) — дифференциальное. Рn и s ¢ относятся к одной и той же точке поверхности диэлектрика. Полученный вывод остается в силе и для самого общего случая, когда поле, или диэлектрик, или оба они неоднородны и когда диэлектрическое тело имеет произвольную форму.

Если вектор поляризации и напряженность поля совпадают по направлению в любой точке внутри диэлектрика, то, очевидно, они совпадают и в точках на поверхности диэлектрика. Спроектировав векторы P и E на нормаль к поверхности, получим:

Pn = æ × e 0 × E n , но Рn = s ¢ , следовательно,

s ¢ = æ × e 0 × Еn . (17.5)

Поляризационные заряды не появляются в тех точках, где Еn = 0, где поверхности диэлектрика и вектор Е параллельны.

Наличие связанных поляризационных зарядов приводит к возникновению дополнительного электрического поля. Рассмотрим диэлектрическую пластину, помещенную в плоский конденсатор (рис. 17.4).

Связанные заряды появляются при наличии внешнего электрического поля Е0, созданного какой-либо системой свободных электрических зарядов, и создают дополнительное электрическое поле Е ¢ связанных зарядов.

Е0 — напряженность поля между обкладками конденсатора при отсутствии в нем диэлектрика, Е0 = s / e o, где s — поверхностная плотность свободных зарядов; Е ¢ — напряженность поля, вызванная поляризацией диэлектрика, равная Е ¢ = s ¢ / e o.

Рис.17.4. Электрические поля свободных и связанных зарядов.

В диэлектрике формируется электрическое поле, равное геометрической сумме напряженностей полей:

Численное значение результирующей напряженности равно:

Е = Ео — Е ¢ = Ео — s ¢ / e o, или

Е = Ео — Р / e o = Eo — æE, согласно (17.6).

Отсюда результирующее поле в диэлектрике составляет

Е = Ео / (1 + æ) = Ео / e , т.к. Е = Ео / e . (17.7)

Поляризация любого элементарного объема диэлектрика обусловлена именно этим полным полем Е. Видно, что наличие диэлектрика ослабляет поле, т.е. Е внутри e показывает, во сколько раз происходит ослабление поля вследствие наличия поляризующегося диэлектрика.

С другой стороны, результирующее поле можно выразить в виде

Е = s / e o — s ¢ / e o = ( s — s ¢ ) / e o = Eo / e (17.8)

Плотность связанных зарядов может быть значительной по величине и достигать s

Из уравнения (17.7) вытекает, что коэффициент диэлектрической восприимчивости ж и диэлектрическая проницаемость e связаны соотношением:

Диэлектрическая восприимчивость æ всегда положительна (æ >0), так как e > 1.

Ввиду того, что теория линейных колебаний по указанным выше причинам разработана весьма детально, и ее математический аппарат действует, можно сказать почти автоматически, исследователи стремились изучаемые ими колебания подводить под линейные схемы, отбрасывая часто без должного обоснования нелинейные члены. При этом иногда совершенно упускалось из виду, что такая «линейная» трактовка может привести к существенным ошибкам не толь количественного, но и принципиально качественного характера.
Основы термодинамики

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector