Чем отличаются диэлектрики от проводников

Чем отличаются диэлектрики от проводников

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 нескомпенсированные 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.

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).

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).

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 C 4– 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.

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 . 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 , то напряженность поля создаваемого этим зарядом в некоторой точке, и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме:

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 Е₀ металлическое тело. В первый момент внутри проводника возникает поле той же напряжённости Е₀. Оно действует на свободные электроны, и те перемещаются против поля Е₀. По мере перераспределения электронов в проводнике возникает внутреннее поле E‘, направленное противоположно внешнему полю Е₀. Электроны перемещаются до тех пор, пока результирующее поле внутри проводника не станет равно нулю: Е = Е₀– E’ = 0.

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 E₀, 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 E₀. Результирующая напряженность Е = E₀ + E’ оказывается меньше E₀, т.е. Е = Е₀ – E’ < Е₀. Во сколько раз вещество ослабляет электрическое поле показывает диэлектрическая проницаемость среды, равная отношению напряжённостей поля в вакууме и в веществе:

Это более строгое определение диэлектрической проницаемости, чем то, которым мы уже пользовались (см. п. 3.3).

Исследование 7.1. Пламенный зонд для измерения потенциала

Задание. Докажите, что потенциал любой точки электростатического поля можно определить, используя пламенный зонд – остриё проводника, помещённое в небольшое пламя.

На электрометре с заземлённым корпусом укрепите проводящий шар и зарядите его. Электрометр покажет разность потенциалов между шаром и землёй. Чтобы при выполнении опыта эта разность потенциалов не менялась, можно использовать высоковольтный источник.

Корпус второго электрометра соедините с корпусом первого, а стрелку с помощью гибкого проводника – с проводящим остриём, помещённым в пламя свечи. Приближайте получившийся пламенный зонд к заряженному шару. Вы обнаружите, что стрелка второго электрометра отклоняется и, когда остриё оказывается вблизи заряженного шара, показания обоих электрометров оказываются равными. При соприкосновении острия с шаром показания приборов не меняются.

Отсюда следует, что если первый электрометр измеряет потенциал заряженного шара относительно земли, то второй, соединённый с пламенным зондом, измеряет потенциал в той точке поля, в которой находится остриё зонда.

Исследование 7.2. Эквипотенциальные поверхности

Задание. Докажите, что электростатическое поле может быть полностью охарактеризовано совокупностью эквипотенциальных поверхностей.

Вариант выполнения. В произвольном электрическом поле, созданном заряженными телами, перемещайте пламенный зонд, соединённый со стержнем заземлённого электрометра. Отметьте некоторое показание электрометра, соответствующее определённому потенциалу ₁, и перемещайте зонд так, чтобы показания электрометра оставались неизменными. В результате кончик иглы обозначит поверхность равного потенциала. Таким способом можно определить эквипотенциальные поверхности с потенциалами ₂, ₃, отличающимися на равные величины.

Исследование 7.3. Эквипотенциальные поверхности и силовые линии

Задание. Докажите, что силовые линии перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

Введите в электрическое поле пробный заряд на нити. Он отклонится от положения равновесия, показывая направление силовой линии в точке, где находится. Приблизьте к пробному заряду пламенный зонд, соединённый с заземлённым электрометром. Стрелка прибора отклонится и покажет некоторый потенциал в точке, где находится пробный заряд. Перемещайте зонд так, чтобы показания прибора не менялись. При этом остриё зонда обозначит часть эквипотенциальной поверхности, и вы обнаружите, что она перпендикулярна силовой линии. Отсюда следует, что силовые линии перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

Исследование 7.4. Эквипотенциальность поверхности заряженного проводника

Задание. Докажите, что потенциалы всех точек заряженного проводника независимо от формы его поверхности одинаковы. Определите направления силовых линий вблизи поверхности проводника.

Вариант выполнения. Металлический проводник неправильной формы, установленный на изолирующей подставке, зарядите до некоторого потенциала. Корпус электрометра заземлите, а его стержень проводником соедините с небольшим пробным шариком на ручке из изолятора. В таком случае электрометр превращается в электростатический вольтметр, позволяющий измерять разность потенциалов между точкой, в которой находится пробный шарик, и заземлённым корпусом прибора.

Проведите по поверхности заряженного проводника маленьким шариком, соединённым с описанным электростатическим вольтметром, корпус которого заземлён. Так как показания прибора остаются неизменными, можно сделать вывод, что потенциал всех точек проводника относительно Земли одинаков.

Таким образом, поверхность проводника эквипотенциальна. Приближая к поверхности проводника заряженный шарик на нити (см. исследование 4.1) или диполь (см. исследование 4.3), вы убедитесь, что силовые линии перпендикулярны поверхности проводника.

Исследование 7.5. Эквипотенциальность поверхности проводника в электрическом поле

Информация. При помещении в электрическое поле в проводнике за счёт электростатической индукции происходит перераспределение заряда. При этом одна часть проводника заряжается положительно, а другая – отрицательно. Это явление подробно изучено раньше (см. п. 1.8), и учащиеся с ним свыклись. Поэтому им не кажется очевидным утверждение, что поверхность проводника, несмотря на перераспределение заряда в нём (или именно благодаря этому перераспределению!), остаётся эквипотенциальной.

Задание. Экспериментально докажите, что поверхность проводника в электрическом поле эквипотенциальна.

Вариант выполнения. Фактически нужно повторить предыдущее исследование, поместив слегка заряженный проводник в электрическое поле. В качестве источника электрического поля можно использовать металлический диск, соединённый, например, с одним из полюсов высоковольтного блока. Проводником может служить большой проводящий шар или металлический цилиндр с коническим выступом, расположенные на изолирующих стойках. Электрометр следует использовать в качестве вольтметра для измерения разности потенциалов между стержнем электрометра и его заземлённым корпусом.

Исследование 7.6. Выравнивание потенциалов заряженных проводников

Задание. Докажите, что при соединении двух проводников их потенциалы становятся равными.

Вариант выполнения. Металлические корпуса двух одинаковых электрометров заземлите и наденьте на стержни приборов шары разных диаметров.

Зарядите один шар с помощью наэлектризованной эбонитовой палочки, при этом соответствующий электрометр будет показывать некоторый потенциал шара относительно Земли. Соедините шары электрометров металлическим стержнем на ручке из изолятора. Показания обоих электрометров станут одинаковыми. Следовательно, часть заряда с первого шара перешла на второй, причём их потенциалы выровнялись. Повторите опыт с электрометрами, имеющими одинаковые шары, и убедитесь, что и в этом случае потенциалы их становятся одинаковыми. Наконец, заряжая шары электрометров одноимёнными и разноимёнными зарядами разной величины, убедитесь, что при соединении шаров проводником их потенциалы относительно Земли становятся равными.

Исследование 7.7. Электрический ветер

Информация. К одному из кондукторов электрофорной машины или другого источника высокого напряжения проводником подсоедините металлическую иглу, расположенную на изолирующей подставке. Остриё иглы направьте в сторону пламени свечи. При вращении ручки электрофорной машины или включении высоковольтного источника пламя отклоняется от иглы. Это свидетельствует о возникновении потока воздуха, направленного от острия – электрического ветра. В темноте вблизи острия соединённой с электродом высоковольтного источника иглы видно свечение и слышно характерное шипение – происходит электрический разряд, уменьшающий заряд иглы. Заряд быстро исчезает как только отсоединяется источник электричества.

Задание. Объясните описанное явление. Подтвердите правильность объяснения модельным экспериментом.

Вблизи заряженного острия в силу значительной на нём плотности заряда электрическое поле весьма неоднородно и имеет большую напряжённость (см. исследование 5.6). Нейтральные молекулы газов, входящих в состав воздуха, в поле значительной напряжённости поляризуются и становятся диполями. Поскольку поле неоднородно, диполи поворачиваются и втягиваются в область большей напряжённости (см. исследование 4.4), приближаясь к острию. Коснувшись острия, нейтральные молекулы приобретают одноимённый с ним заряд, т.е. превращаются в положительные или отрицательные ионы. Сила отталкивания, действующая со стороны острия на заряженные молекулы, значительно превышает силу притяжения нейтральных диполей к острию. Ионизованные молекулы в своём движении увлекают нейтральные молекулы газов, в результате возникает поток воздуха, направленный от острия, – электрический ветер.

Исследование 7.8. Взаимодействие заряженного тела с его изображением

Задание. Докажите, что электростатическое взаимодействие заряженного шарика с заземлённым проводящим листом небольшой толщины можно рассматривать как взаимодействие между несущим заряд шариком и его мнимым зеркальным изображением в плоскости листа, которое имеет заряд той же величины, но противоположного знака.

На высоковольтном блоке питания установите разность потенциалов между электродами 20 кВ. Одним электродом прикоснитесь к шарику электростатического динамометра, а другим – к такого же радиуса проводящему шарику, установленному на изолирующей подставке. Выключите высоковольтный источник и сближайте шарики так, чтобы электростатический динамометр показал определённую силу взаимодействия, но положение шарика динамометра ещё оставалось устойчивым.

Уберите заряженный шарик на подставке и вместо него приближайте к заряженному шарику динамометра плоский заземлённый дюралевый лист, просто держа его в руке. Вы обнаружите, что, начиная с некоторого расстояния между листом и шариком, последний начинает притягиваться к листу. Уменьшайте расстояние между заземлённым листом и шариком динамометра до тех пор, пока показание динамометра не станет тем же самым, что и в первом опыте. При этом проводящий лист окажется на расстоянии, равном половине отрезка, соединявшего центры шариков в предыдущем опыте. Таким образом, эксперимент показывает, что заряженный шар небольшого размера взаимодействует с заземлённой плоскостью точно так же, как он взаимодействовал бы с зарядом противоположного знака, расположенным симметрично ему относительно этой плоскости.

Исследование 7.9. Поляризация диэлектрика

Информация. Два плоских круглых электрода диаметром 10 см установите паралельно на расстоянии 3–5 мм друг от друга. Электроды подключите к высоковольтному источнику. Между электродами введите плёнку из прозрачного полимера (например, кодоплёнку) и подайте напряжение 15–20 кВ (должно слышаться характерное шипение коронного разряда, но без электрического пробоя). Вы обнаружите, что плёнка прилипла к одному из электродов и способна удерживать довольно значительный груз. Рукой, приложив к плёнке усилие, сдвиньте её на небольшое расстояние. В этом случае притяжение плёнки к электроду резко снижается и она легко соскальзывает вниз.

Задание. Объясните описанные явления. Подтвердите правильность данного вами объяснения серией экспериментов.

Вариант выполнения. Допустим, плёнка прилипла к отрицательному электроду. Значит, в электрическом поле она поляризовалась так, что на соприкасающейся с электродом поверхности появился положительный заряд. Если плёнку сдвинуть вдоль электрода, к которому она прилипла, то на своей поверхности она унесёт отрицательный заряд с электрода. Теперь поверхность плёнки и электрод заряжены одноимённо, и сила притяжения между ними сильно ослаблена. Аналогичные явления происходят, если плёнка прилипает к другому электроду.

Это теоретическое объяснение нетрудно подтвердить серией экспериментов, если с помощью электрометра проверить, какой заряд уносит на себе плёнка при уменьшении напряжения между электродами и при сдвиге плёнки относительно электродов.

Исследование 7.10. Диэлектрическая проницаемость среды

Проблема. На уроках физики совершенно необходим демонстрационный эксперимент, показывающий принципиальную возможность определения диэлектрической проницаемости среды.

Задание. Используя высоковольтный источник и электрометр в качестве электростатического вольтметра, определите диэлектрическую проницаемость плоского диэлектрика.

Вариант выполнения. Лист диэлектрика толщиной d введите между двумя плоскими электродами так, чтобы они соприкасались с поверхностью листа. Соедините электроды с отградуированным электростатическим вольтметром (см. исследование 6.2), на один из них нанесите заряд, измерьте разность потенциалов U между электродами и вычислите напряженность электрического поля в диэлектрике по формуле E = U/d.

Аккуратно удалите диэлектрик из промежутка так, чтобы заряд на электродах не изменился, и вновь измерьте напряжение U₀ между ними. Вы обнаружите, что напряжённость поля увеличилась:
U₀/d > 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 U₀ между электродами для случая, когда пластина удалена, и по формуле />= U₀/U вычислите значение диэлектрической проницаемости. В наших опытах для пластины из оконного стекла толщиной 4 мм получилось U₀ = 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.

Что такое проводник и диэлектрик?

Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, из всего многообразия физических веществ в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока.

Что представляют собой проводники?

Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу.

Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.

Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод.

Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:

• показатель сопротивления;
• показатель электропроводности.

Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.

Например кабельная продукция: медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминиевым.

Что представляют собой диэлектрики?

Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу.

Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы.

Диэлектрические предметы – это изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические материалы частично лишаются своих свойств.

Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач.

Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц.

Серебряные, золотые и платиновые изделия – очень хорошие проводники. Но их отрицательная характеристика, которая ограничивает использование, состоит в очень высокой стоимости.

Поэтому применяются такие вещества в сферах, где качество гораздо важнее цены, которая за него уплачивается (оборонная промышленность и космос).

Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками, при этом имеют не столь высокую стоимость. Следовательно, использование медных и алюминиевых проводов распространено повсеместно.

Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют менее хорошие свойства, поэтому используются в основном в лампочках накаливания и нагревательных элементах высокой температуры. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электросхемы.

Диэлектрики также различаются между собой своими характеристиками и свойствами. Например, в некоторых диэлектрических материалах также присутствуют свободные электрически заряды, пусть и в небольшом количестве. Свободные заряды возникают из-за тепловых колебаний электронов, т.е. повышение температуры все-таки в некоторых случаях провоцирует отрыв электронов от ядра, что понижает изоляционные свойства материала. Некоторые изоляторы отличаются большим числом «оторванных» электронов, что говорит о плохих изоляционных свойствах.

Самый лучший диэлектрик – полный вакуум, которого очень трудно добиться на планете Земля.

Полностью очищенная вода также имеет высокие диэлектрические свойства, но таковой даже не существует в реальности. При этом стоит помнить, что присутствие каких-либо примесей в жидкости наделяет ее свойствами проводника.

Главный критерий качества любого диэлектрического материала – это степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической схеме. Например, если свойства диэлектрика таковы, что утечка тока совсем незначительная и не приносит никакого ущерба работе схемы, то диэлектрик является надежным.

Что такое полупроводник?

Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники. Главное отличие проводников заключается в зависимости степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника.

С ростом температуры электропроводность полупроводников растет, а степень сопротивления при этом падает. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. То есть, при достижении нулевой температуры полупроводники начинают вести себя как изоляторы.

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Внесение некоторого вещества в электрическое поле может привести к существенному его изменению; это обусловлено тем, что вещество составляют заряженные частицы. Если внешнее поле отсутствует, распределение частиц вещества происходит таким образом, что электрическое поле, которое они создают, в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. Если внешнее поле присутствует, заряженные частицы перераспределяются, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле E → включает в себя (согласно принципу суперпозиции) внешнее поле E 0 → и внутреннее поле E ‘ → которое создается заряженными частицами вещества.

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

Проводники

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

Если внешнее поле отсутствует, то в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд будет компенсироваться положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, который внесен в электрическое поле, произойдет перераспределение свободных зарядов, следствием чего будет возникновение на поверхности проводника нескомпенсированных положительных и отрицательных зарядов (рис. 1 . 5 . 1 ). Описанный процесс носит название электростатической индукции, а возникающие на поверхности проводника заряды называют индукционными зарядами.

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

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

Рисунок 1 . 5 . 1 . Электростатическая индукция.

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

Рисунок 1 . 5 . 2 . Схема электростатической защиты. Поле в металлической полости равно нулю.

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

Диэлектрики

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

Внесение диэлектрика во внешнее электрическое поле E 0 → вызовет возникновение в нем некоторого перераспределения зарядов, которые входят в состав атомов или молекул. Следствием этого перераспределения является появление на поверхности диэлектрического образца избыточных нескомпенсированных связанных зарядов. Все заряженные частицы, которые образуют макроскопические связанные заряды, все так же входят в состав своих атомов.

Связанные заряды образуют электрическое поле E ‘ → направленное внутри диэлектрика противоположно вектору напряженности E 0 → внешнего поля: данный процесс носит название поляризации диэлектрика.

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

Диэлектрическая проницаемость вещества – это физическая величина, которая есть отношение модуля напряженности E 0 → внешнего электрического поля, создаваемого в вакууме, к модулю напряженности E → полного поля в однородном диэлектрике.

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

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

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

К примеру, дипольный момент имеет молекула воды, а также молекулы некоторых прочих диэлектриков ( H 2 S , N O 2 и т. д.).

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

Если внести диэлектрик во внешнее поле E 0 → , возникнет частичная ориентация молекулярных диполей. Вследствие этого поверхность диэлектрика получит нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле E ‘ → направленное навстречу внешнему полю E 0 → (рис. 1 . 5 . 3 ).

Рисунок 1 . 5 . 3 . Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика.

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

Электронный или упругий механизм возникает при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не имеют при отсутствии внешнего поля дипольного момента. Электрическое поле, воздействуя на молекулы неполярных диэлектриков, вызывает их деформацию – положительные заряды смещаются в направлении вектора E 0 → а отрицательные – в противоположном направлении. В итоге каждая молекула становится электрическим диполем, ось которого имеет направление вдоль внешнего поля. Поверхность диэлектрика получает нескомпенсированные связанные заряды, которые создают свое поле E ‘ → имеющее направление навстречу внешнему полю E 0 → Таким образом происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 1 . 5 . 4 ).

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

В качестве примера неполярной молекулы можно рассмотреть молекулу метана C H 4 , в которой четырехкратно ионизированный ион углерода C 4 – расположен в центре правильной пирамиды; в вершинах этой пирамиды — ионы водорода H + . Наложение внешнего электрического поля вызовет смещение иона углерода из центра пирамиды: в этом случае у молекулы возникнет дипольный момент, пропорциональный внешнему полю.

Рисунок 1 . 5 . 4 . Поляризация неполярного диэлектрика.

В электрическом поле E ‘ → связанных зарядов, которое возникает при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, происходит его изменение по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля E 0 → . В электрических полях значительной силы указанная закономерность может нарушаться: в таком случае получают проявление различные нелинейные эффекты. Для полярных диэлектриков в сильных полях возможно наблюдать эффект насыщения.

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

Когда диэлектрики неполярны, сильное внешнее поле, которое можно сравнить по модулю с внутриатомным полем, имеет возможность значимо деформировать атомы или молекулы вещества с изменением их электрических свойств. Но подобные явления почти никогда не наблюдаются, поскольку для этого необходимы поля, имеющие напряженность порядка 10 10 – 10 12 В / м . При этом гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.

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

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

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

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

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

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