Вещества по которым электрические заряды не могут свободно перемещаться

Вещества по которым электрические заряды не могут свободно перемещаться

Если в диэлектрике имеются свободные заряды, то они будут, перемещаясь под действием электрического поля и доходя до поверхности, нейтрализовать внешние заряды, создающие поле, или же создавать обратное поле, ослабляющее внешнее, приложенное. Перемещение зарядов будет длиться до тех пор, пока результирующее поле в нем не станет равным нулю.

Принцип работы

Движение свободных зарядов обусловливает электропроводность. Требование, чтобы в веществе существовало электрическое поле, может быть сведено к тому, чтобы электропроводность вещества была достаточно мала. Практически можно считать диэлектриком вещество, уд. сопротивление которого > 10 в 10 -й степени Q-см.

Термин диэлектрик является условным: когда вещество подвергается лишь кратковременному воздействию напряжения и поле в диэлектриках существует лишь кратковременно, они могут считаться вещества, обладающие значительно меньшим удельным сопротивлением, чем указано выше, например дестилированная вода. Наоборот, при длительно приложенном постоянном напряжении мы вынуждены в ряде случаев трактовать вещества с указанным выше уд. сопротивлением как проводники.

Все вещества независимо от агрегатного состояния построены из зарядов, связанных большими или меньшими силами взаимодействия. Чтобы вещество было диэлектриком, т. е..обладало малой электропроводностью, необходимо, чтобы заряды, ионы и электроны, из которых оно построено, при наложении поля не могли свободно перемещаться.

В изолированном атоме энергия электронов может иметь согласно требованиям волновой механики не любые, а лишь определенные дискретные значения W1, W2, W3. (фигура, а). При соединении атомов в твердую кристаллическую решетку каждый из этих уровней несколько смещается и расщепляется на целый ряд тесно расположенных новых уровней, образующих зону, общую для всего кристалла (фигура, б).

В кристаллической решетке энергия электронов может иметь лишь значения, лежащие в пределах зон; значения же энергии, которые соответствуют промежуткам между зонами, для электронов запрещены. Каждая зона согласно принципу Паули может вместить лишь ограниченное количество электронов. Электроны будут стремиться расположиться на возможно более низких энергетических уровнях, однако нижняя зона не сможет их всех вместить, и они заполнят ряд зон.

Если при этом наиболее высокая из тех зон, в которых размещены электроны, будет заполнена ими лишь частично, то находящиеся в этой зоне электроны при наложении поля будут иметь возможность в пределах зоны свободно перемещаться и могут считаться свободными; данное вещество будет хорошо проводить ток (являться проводником). Если же эта наиболее высокая из занятых зон будет заполнена электронами полностью, то электроны не могут смещаться под влиянием поля и должны считаться связанными, — данное вещество является диэлектриком. В случае аморфных твердых веществ, характеризуемых беспорядочным расположением атомов, зоны, общие для всего кристалла, не могут образоваться, поэтому электроны будут лишены возможности перемещаться, и следовательно такое вещество окажется диэлектриком.

Помимо движения электронов необходимо учесть также движение атомов или ионов. Тепловое движение этих частиц будет заключаться в колебаниях около положения равновесия. В наличии окажется однако некоторое количество ионов, энергия теплового движения которых столь велика, что они могут преодолеть связывающие их силы. Эти ионы мы назовем условно «свободными». Такие ионы покинут свои места и перейдут на другие, где их потенциальная энергия, так же как и в местах, откуда они ушли, будет возможно малой. В случае диэлектрика, имеющих кристаллическую решетку с плотной упаковкой, местами, где могут находиться ионы в равновесном состоянии, являются узлы решетки. Перескоки ионов в таких материалах согласно Шоттки могут происходить лишь в том случае, когда некоторое количество узлов решетки с самого начала не занято ионами (в решетке имеются «дырки»). Тепловое движение в этом случае сводится к беспорядочным перескокам ионов с одних узлов решетки на другие.

Аморфные диэлектрики

В аморфных диэлектриках с их более рыхлой структурой имеется значительно больше мест, в которых может находиться ион в равновесном состоянии. Затрата энергии при переходе из одного равновесного состояния в другое также будет различна. Будут существовать переходы, требующие меньшей затраты энергии, при которых ион не будет однако полностью освобождаться от связывающих его сил, а, оставаясь «полусвязанным», перемещаться лишь на небольшое расстояние. Эти переходы и будут в основном происходить в результате теплового движения. Некоторое значительно меньшее количество ионов, более богатых энергией, сможет полностью оторваться от связующих их сил. Эти ионы по аналогии со случаем кристаллической решетки можно условно назвать «свободными». Данная картина теплового движения соответствует твердому состоянию.

Переход от твердого к жидкому состоянию

Переход от твердого к жидкому состоянию происходит различно для кристаллических и для аморфных веществ. В первом случае мы наблюдаем резкую t°пл T8, причем вязкость жидкости уже при температуре Тs мала. В случае аморфных диэлектриков t°пл не наблюдается, а переход из одного состояния в другое происходит в первом приближении непрерывно путем постепенного уменьшения вязкости. Более детальное изучение явления перехода из твердого в жидкое состояние показывает однако, что существует некоторая характерная для данного вещества температуpa Тg, при которой вязкость испытывает резкий скачок и вещество, оставаясь весьма вязким, начинает течь.

Ниже температуры Тg вещество следует считать твердым, выше — жидкостью. При температуpax, несколько превышающих Тg, аморфный диэлектрик сохраняет ряд свойств, характерных для твердого состояния. Молекулы диэлектрика остаются еще частично упруго связанными. Чем выше температура, тем слабее эти упругие связи; при температурах, значительно превосходящих Тg, можно в первом приближении считать, что молекулы в жидкости перемещаются свободно. При температуpax, близких к началу размягчения, перемещение молекул хотя уже и является принципиально возможным, но сильно затруднено. Внешне это сказывается в том, что вязкость такой жидкости еще очень велика. При повышении температуры перемещение молекул встречает меньше препятствия; параллельно убывает и вязкость.

За меру того, в какой степени молекулы «свободны» в своих перемещениях, мы можем поэтому выбрать вязкость жидкости. Тепловое движение молекул в жидкостях заключается:

1. в колебании около положения равновесии, когда они связаны в комплексы,
2. в поступательных и вращательных перемещениях когда они свободны.

При плавлении кристаллического диэлектрика, имеющих ионную решетку (например солей), получается как правило проводящая жидкость, которая диэлектриком считаться не может. В случае кристаллов с атомной и молекулярной решеткой плавление приводит в диэлектрическим жидкостям, имеющим малую вязкость; перемещение молекул в этих жидкостях можно считать свободным.

Жидкости кроме нейтральных молекул всегда содержат некоторое количество ионов, получившихся как вследствие диссоциации молекул жидкости, так и вследствие диссоциации молекул примесей. В газообразном состоянии как поступательное, так и вращательное движение молекул ничем не ограничено.

Диэлектрик в постоянном электрическом поле

При помещении диэлектрика в постоянное электрическое поле заряды, из которых он построен, оказываются подверженными действию сил обусловливающих:

1. смещение связанных зарядов (электроны, ионы),
2. наложение на беспорядочное тепловое движение некоторого упорядоченного, состоящего в перемещении положительных зарядов в направлении поля, отрицательных зарядов — в обратном направлении.

Это упорядоченное перемещение может:

• а) привести к новому равновесному состоянию с несколько измененным распределением зарядов, по достижению которого упорядоченное движение прекращается (вращение дипольных молекул, перемещение полусвязанных ионов);
• б) продолжаться непрерывно, пока в нем существует в электрическое поле (свободные ионы и электроны).

Поляризации диэлектрика

Эти процессы будут развиваться с разной скоростью. Смещение связанных зарядов потребует для своего завершения лишь весьма малого времени; значительно медленнее протекают процессы. Смещение зарядов в электрическом поле, указанное, вызывает образование обратного поля, которое ослабляет приложенное внешнее поле. Это явление носит название поляризации диэлектрика. Мерой ослабления поля внутри него служит электрическая проницаемость (постоянная). Поскольку процесс поляризации не протекает мгновенно, а требует для завершения некоторого конечного промежутка времени, постольку связанные с явлением поляризации величины, в частности диэлектрическая проницаемость, не являются константами, а переменными величинами, зависящими от времени. При повышении температуры увеличивается интенсивность теплового движения, и переход в упорядоченное состояние затрудняется. Вследствие этого при наличии процессов, на поляризацию диэлектрика и его диэлектрическую проницаемость должна влиять и температуpa, причем при повышении температуры диэлектрическая проницаемость должна убывать.

Пробой диэлектрика

При всех указанных явлениях в диэлектрике после приложения напряжения через больший или меньший промежуток времени создается стационарное или квазистационарное (при переменном напряжении) состояние, характеризуемое устойчивыми во времени значениями поляризации, электропроводности или соответственно диэлектрических потерь. Однако, если увеличивать напряженность поля, то имеется некорый предел, выше которого стационарное состояние нарушается. Текущий через него ток начинает ускоренно возрастать во времени, электропроводность резко увеличивается, вещество перестает быть диэлектриком и становится проводником, происходит пробой.

Характеризующее пробой прогрессирующее во времени возрастание электропроводности может находиться в зависимости от рода вещества и его агрегатного состояния, а также таких факторов, как температуpa, вид напряжения, длительность воздействия напряжения и т. д., и обусловлено различными явлениями. Эти явления могут быть сведены в две основные группы:

1. явления тепловые: возрастание электропроводности обусловлено прогрессирующим разогревом диэлектрика, выделяющимися в нем потерями; пробой наступает тогда, когда стационарное тепловое состояние его становится невозможным;
2. явления чисто электрические: возрастание электропроводности обусловлено увеличением числа свободных зарядов в результате либо ударной ионизации, т. е. срыва связанных зарядов движущимися зарядами, либо срыва связанных зарядов непосредственно самим полем.

Диэлектрики находят широкое применение в технике как электроизолирующие материалы.

Проводники в электрическом поле

Любое тело, помещенное в электрическом поле, электризуется. Однако процесс электризации для различных веществ будет разным.

Электрические характеристики электронейтрального тела зависят от подвижности заряженных частиц в нем, которая определяется строением атомов вещества и их взаимным расположением.

По концентрации свободных заряженных частиц в веществе все вещества делятся на три основных класса: проводники, диэлектрики и полупроводники. К проводникам относятся вещества, содержащие заряженные частицы, способные двигаться упорядоченно по всему объему тела под действием электрического поля, — так называемые свободные заряды. Проводниками являются все металлы, водные растворы солей, кислот, щелочей, расплавы солей, ионизованные газы.

Рассмотрим поведение в электрическом поле только твердых металлических проводников. В металлах носителями свободных зарядов являются свободные электроны. Их называют электронами проводимости. Свободные электроны участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по куску металла в любом направлении.

Поместим незаряженный металлический проводник в однородное электростатическое поле.

Под действием поля в нем возникнет упорядоченное движение свободных электронов в направлении, противоположном направлению напряженности Ē этого поля. Электроны будут накапливаться на одной стороне проводника и образуют там избыточный отрицательный заряд, а их нехватка на другой стороне проводника повлечет образования там избыточного положительного заряда, то есть в проводнике произойдет разделение зарядов. Эти нескомпенсированные разноименные заряды появляются в проводнике только под действием внешнего электрического поля, то есть такие заряды являются индуцированными (приведенными). А в целом проводник остается незаряженным. В этом мы убеждаемся, вынимая проводник из электрического поля.

Вид электризации, при котором под действием внешних электрических полей происходит перераспределение зарядов между частями определенного тела, называют электростатической индукцией.

Нескомпенсированные электрические заряды, появившиеся на противоположных частях проводника, создают внутри проводника собственное электрическое поле напряженностью Ē_вн. Направления внешнего и внутреннего полей — противоположные:

Проводник во внешнем электрическом поле

В результате перемещения свободных носителей заряда и накопления их на противоположных частях проводника напряженность Ē внутреннего поля увеличивается и, наконец, уравнивается по модулю с напряженностью Ē_вн внешнего поля. Это приводит к тому, что напряженность результирующего поля внутри проводника равна нулю. К тому же на проводнике устанавливается равновесие зарядов.

Виды диэлектриков

Диэлектриками, или изоляторами, называют такие тела, через которые электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному. Это свойство диэлектриков обусловлена тем, что в них при определенных условиях нет свободных носителей заряда. Если условия меняются, например, при нагревании, в диэлектрике могут возникнуть свободные носители заряда, и он начнет проводить электричество. Итак, разделение веществ на проводники и диэлектрики является условным.

К диэлектрикам относятся все газы при нормальных условиях, жидкости (керосин, спирты, ацетон, дистиллированная вода и др.), твердые тела (стекло, пластмассы, сухое дерево, бумага, резина и т.д.).

В диэлектриках электрические заряды не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему тела так, как свободные заряды проводника.

Инфофиз. Репетитор по физике и информатике

Информация в чистом виде ‒ это не знание. Настоящий источник знания ‒ это опыт.

Альберт Эйнштейн

Урок 26. Лекция 26. Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Конденсаторы.

• Печать
• E-mail

По электрическим свойствам все вещества разделяют на два больших класса — вещества, которые проводят электрический ток (проводники) и вещества, которые не проводят электрический ток (диэлектрики, или изоляторы).

Мы знаем, что все вещества состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из заряженных частиц. Если внешнее поле вокруг вещества отсутствует, то его частицы распределяются так, что суммарное электрическое поле внутри вещества равно нулю. Если вещество поместить во внешнее электрическое поле, то поле начет действовать на заряженные частицы и они перераспределяться так, что в веществе возникнет собственное электрическое поле. Полное электрическое поле складывается из внешнего поля и внутреннего поля создаваемого заряженными частицами вещества.

Проводник — это тело или материал, в котором электрические заряды начинают перемещаться под действием сколь угодно малой силы. Поэтому эти заряды называют свободными.

В металлах свободными зарядами являются электроны, в растворах и расплавах солей (кислот и щелочей) — ионы.

Диэлектрик — это тело или материал, в котором под действием сколь угодно больших сил заряды смещаются лишь на малое, не превышающее размеров атома расстояние относительно своего положения равновесия. Такие заряды называются связанными.

Рассмотрим подробнее эти классы веществ.

Проводники в электрическом поле.

Проводниками называют вещества, проводящие электрический ток.

Типичными проводниками являются металлы.

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов ( в металлах это электроны), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника.

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. Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.

Явление перераспределения зарядов внутри проводника под действием внешнего электрического поля называется электростатической индукцией.

Заряды, появляющиеся на поверхности проводника, называются 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.

Диэлектрики в электрическом поле.

Диэлектриками (изоляторами) называют вещества, не проводящие электрического тока.

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.

Электрической поляризацией называют особое состояние вещества, при котором электрический момент некоторого объёма этого вещества не равен нулю.

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.

Диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз напряженность поля в вакууме больше, чем в диэлектрике. Это величина безразмерная (нет единиц измерения).

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

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

Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная, электронная и ионная поляризации. Ориентационная и электронная механизмы проявляются главным образом при поляризации газообразных и жидких диэлектриков, ионная — при поляризации твердых диэлектриков.

Если двум изолированным друг от друга проводникам сообщить заряды q₁ и q₂, то между ними возникает некоторая разность потенциалов Δφ, зависящая от величин зарядов и геометрии проводников.

Разность потенциалов Δφ между двумя точками в электрическом поле часто называют напряжением и обозначают буквой U.

Наибольший практический интерес представляет случай, когда заряды проводников одинаковы по модулю и противоположны по знаку: q₁ = – q₂ = q. В этом случае можно ввести понятие электрической емкости.

Электроемкостью (электрической емкостью) проводников называется физическая величина, характеризующая способность проводника или системы проводников накапливать электрический заряд.

Электроемкость находится как отношение заряда q одного из проводников к разности потенциалов Δφ между ними:

В системе СИ единица электроемкости называется фарад [Ф]:

Величина электроемкости зависит от формы и размеров проводников и от свойств диэлектрика , разделяющего проводники.

Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле оказывается сосредоточенным (локализованным) лишь в некоторой области пространства. Такие системы называются конденсаторами, а проводники, составляющие конденсатор, называются обкладками.

Простейший конденсатор – плоский конденсатор – система из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика.

Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между пластинами; однако, вблизи краев пластин и в окружающем пространстве также возникает сравнительно слабое электрическое поле, которое называют полем рассеяния.

В целом ряде задач можно приближенно пренебрегать полем рассеяния и полагать, что электрическое поле плоского конденсатора целиком сосредоточено между его обкладками.

Электроемкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин (обкладок) и обратно пропорциональна расстоянию между ними .

Если пространство между обкладками заполнено диэлектриком, электроемкость конденсатора увеличивается в ε раз:

Примерами конденсаторов с другой конфигурацией обкладок могут служить сферический и цилиндрический конденсаторы.

Сферический конденсатор – это система из двух концентрических проводящих сфер радиусов R₁ и R₂.

Цилиндрический конденсатор – система из двух соосных проводящих цилиндров радиусов R₁ и R₂ и длины L.

Емкости этих конденсаторов, заполненных диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε, выражаются формулами:

— сферический конденсатор

— цилиндрический конденсатор

Для получения заданного значения емкости конденсаторы соединяются между собой, образуя батареи конденсаторов.

1) При параллельном соединении конденсаторов соединяются их одноименно заряженные обкладки.

Напряжения на конденсаторах одинаковы U₁ = U₂ = U, заряды равны q₁ = С ₁U и q₂ = С ₂U .

Такую систему можно рассматривать как единый конденсатор электроемкости C , заряженный зарядом q = q₁ + q₂ при напряжении между обкладками равном U . Отсюда следует или С = С₁ + С₂

Таким образом, при параллельном соединении электроемкости складываются.

2) При последовательном соединении конденсаторов соединяют разноименно заряженные обкладки

Заряды обоих конденсаторов одинаковы q₁ = q₂ = q, напряжения на них равны и

Такую систему можно рассматривать как единый конденсатор, заряженный зарядом q при напряжении между обкладками U = U₁ + U₂.

Следовательно, или

При последовательном соединении конденсаторов складываются обратные величины емкостей.

Формулы для параллельного и последовательного соединения остаются справедливыми при любом числе конденсаторов, соединенных в батарею.

Т.е. в случае n конденсаторов одинаковой емкости С емкость батареи

при параллельном соединении С_общ = nС

при последовательном соединении С_общ = С/n

Если обкладки заряженного конденсатора замкнуть металлическим проводником, то по цепи пойдет электрический ток, лампочка загорится и будет гореть до тех пор, пока конденсатор не разрядится. Значит, заряженный конденсатор содержит запас энергии.

Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор.

Процесс зарядки конденсатора можно представить как последовательный перенос достаточно малых порций заряда Δq > 0 с одной обкладки на другую.При этом одна обкладка постепенно заряжается положительным зарядом, а другая – отрицательным. Поскольку каждая порция переносится в условиях, когда на обкладках уже имеется некоторый заряд q, а между ними существует некоторая разность потенциалов

при переносе каждой порции Δq внешние силы должны совершить работу

Энергия W_e конденсатора емкости C, заряженного зарядом q, может быть найдена путем интегрирования этого выражения в пределах от 0 до q:

Формулу, выражающую энергию заряженного конденсатора, можно переписать в другой эквивалентной форме, если воспользоваться соотношением q = CU .

Электрическую энергию W_e следует рассматривать как потенциальную энергию, запасенную в заряженном конденсаторе.

По современным представлениям, электрическая энергия конденсатора локализована в пространстве между обкладками конденсатора, то есть в электрическом поле. Поэтому ее называют энергией электрического поля.

Проводники в электрическом поле — формулы и определение с примерами

Действие электрического поля распространяется на все без исключения природные объекты — от макроскопических тел до микроскопических частиц, входящих в состав вещества: электроны, протоны, позитроны и т. д. Именно эти частицы определяют электрические свойства различных тел.

Рассмотрим взаимодействие электрического поля с наиболее распространенным классом проводников металлами.

Электрические свойства вещества определяются наличием в них электронов, протонов, ионов.

Возьмем два металлических цилиндра и соединим каждый со стержнем заземленного электрометра. Расположим цилиндры между двумя параллельными металлическими пластинами так, чтобы они, касаясь друг друга, составляли единое целое (рис. 1.10). Если зарядим пластины разноименными зарядами, то увидим, что стрелки электрометров отклонятся от положения равновесия и засвидетельствуют наличие заряда на цилиндре (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Металлические цилиндры в
электрическом поле
пластин зарядились разноименно

Явление возникновения зарядов на проводниках в электрическом поле называется электростатической индукцией.

Если с пластин убрать заряды, то заряды исчезнут и на цилиндрах. Это подтверждает, что на проводнике заряды возникли под действием электрического поля пластин.

Явление возникновения зарядов на проводниках в электрическом поле называется электростатической индукцией.

Проведем предыдущий опыт повторно. Но после того как электрометры отметят наличие зарядов на концах проводника, разведем цилиндры и разрядим пластины. Электрометры и после этого будут отмечать наличие зарядов на цилиндрах (рис. 1.11).

Исследовав с помощью эбонитовой палочки знак заряда цилиндра, увидим, что цилиндры имеют разноименные заряды.

Подобное явление наблюдается при электризации всех металлических тел в электрическом поле. Если к металлическому шарику, не заряженному изначально, поднести наэлектризованную эбонитовую или стеклянную палочку, то шарик будет притягиваться к ним. Это можно объяснить тем, что под действием электрического поля заряженной палочки в шарике происходит перераспределение заряженных частиц (рис. 1.12). Поэтому внутри металлических проводников отсутствует электрическое поле. Это явление применяют для изготовления металлических экранов, защищающих различные приборы от действия электрического поля (рис. 1.13).

Металлические экраны устраняют также нежелательное электрическое взаимодействие в различных электронных устройствах.

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Проводя аналогии между гравитационным и электростатическим взаимодействиями, мы находили общие для них свойства. Однако между ними есть и существенные отличия. Одно из них — всепроникаемость гравитационного поля. Действительно, убежище от силы притяжения построить невозможно. А вот от действия сил электростатического поля можно спрятаться достаточно надежно, построив защиту из проводника. Выясним, почему это возможно.

Каковы особенности внутреннего строения проводников

Любое вещество состоит из молекул, атомов или ионов, которые, в свою очередь, содержат заряженные частицы. Поэтому, если вещество поместить в электрическое поле, это вызовет в веществе определенные изменения, зависящие от свойств самого вещества. В зависимости от электрических свойств вещества делят на проводники, диэлектрики, полупроводники.

Проводники — это вещества, способные проводить электрический ток. Любой проводник содержит заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри проводника. Типичные представители проводников — металлы. Внутренняя структура металлов представляет собой кристаллическую решетку, образованную положительно заряженными ионами и находящуюся в «газе» свободных электронов. Проводниками также являются электролиты, а при некоторых условиях — и газы. В электролитах свободные заряженные частицы — это положительные и отрицательные ионы, а в газах еще и электроны.

Электростатические свойства проводников

Свойство 1. Напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю.

Поместим металлический проводник в электростатическое поле (рис. 43.1). Под действием поля движение свободных электронов станет направленным. Если поле не слишком велико, то электроны не могут оставить провод ник и накапливаются в определенной области его поверхности — эта область приобретает отрицательный заряд, а противоположная область — положительный (его создают оставшиеся там положительные ионы).

Таким образом, на поверхности проводника появляются наведенные (индуцированные) электрические заряды, при этом суммарный заряд проводника остается неизменным (рис. 43.2).

Явление перераспределения электрических зарядов в проводнике, помещенном в электростатическое поле, называют явлением электростатической индукции.

Заряды, индуцированные на поверхности проводника, создают собственное электрическое поле, направленное противоположно внешнему полю (рис. 43.3). Процесс перераспределения зарядов будет продолжаться до момента, когда поле внутри проводника, создаваемое индуцированными зарядами, полностью компенсирует внешнее поле. За очень малый интервал времени напряженность результирующего поля внутри проводника станет равной нулю.

Рис. 43.3. Перераспределение зарядов в проводнике происходит до тех пор, пока модуль напряженности поля индуцированных зарядов не будет равен модулю напряженности внешнего поля

Свойство 2. Поверхность проводника эквипотенциальна. Это утверждение является прямым следствием связи между напряженностью поля и разностью потенциалов: . Если напряженность поля внутри проводника равна нулю, то разность потенциалов тоже равна нулю, поэтому потенциалы во всех точках проводника одинаковы.

Свойство 3. Весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности. Данное свойство является следствием закона Кулона и свойства одноименных зарядов отталкиваться.

Свойство 4. Вектор напряженности электростатического поля перпендикулярен поверхности проводника (рис. 43.4). Докажем свойство 4 методом от противного.

Предположим, что в определенной точке поверхности проводника вектор напряженности электростатического поля направлен под некоторым углом к поверхности проводника. Разложим этот вектор на две составляющие: нормальную , перпендикулярную поверхности, и тангенциальную , направленную по касательной к поверхности. Понятно, что в результате действия электроны будут направленно двигаться по поверхности проводника, но это означает, что по данной поверхности течет электрический ток, а это, в свою очередь, противоречит закону сохранения энергии, следовательно: = 0, поскольку .

Свойство 5. Электрические заряды распределяются по поверхности проводника так, что напряженность электростатического поля проводника оказывается больше на выступах проводника и меньше в его впадинах (рис. 43.5).

Как применяют электростатические свойства проводников

Приведем примеры использования рассмотренных электростатических свойств проводников.

Электростатическая защита. Иногда возникает необходимость изолировать приборы от влияния внешних электрических полей. Очевидно, что для этого их необходимо поместить внутрь металлического корпуса, поскольку внешнее электрическое поле вызывает появление индуцированных зарядов только на поверхности проводника, а поле внутри проводника отсутствует (рис. 43.6). Аналогичный эффект достигается, если сплошную проводящую оболочку заменить металлической сеткой с мелкими ячейками.

Рис. 43.6. Электростатическая защита. Под действием внешнего поля на поверхности металлического корпуса возникают индуцированные заряды, поле которых экранирует внешнее электрическое поле: напряженность поля внутри корпуса становится равной нулю

Заземление. Чтобы разрядить небольшое заряженное тело, его необходимо соединить проводником с телом больших размеров: на теле больших размеров накапливается больший электрический заряд. Чтобы обосновать это утверждение, рассмотрим два соединенных проводником проводящих шара радиусами , расположенные друг от друга на большом (по сравнению с их радиусами) расстоянии l (рис. 43.7).

Рис. 43.7. Заряд Q, переданный системе из двух шаров, соединенных проводником, распределится между шарами так, что их потенциалы будут равными

Электрический заряд Q, переданный системе, распределится между шарами таким образом, что их потенциалы будут равными () . Расстояние между шарами значительно больше их радиусов, поэтому, рассчитывая потенциалы шаров, взаимным влиянием их полей можно пренебречь и воспользоваться формулой для определения потенциала шара:

Поскольку , получим, что заряды шаров прямо пропорциональны их радиусам:

Обратите внимание! Если один из заряженных шаров значительно больше другого, после их соединения практически весь заряд окажется на большем шаре. Этот вывод справедлив и для проводящих тел произвольной формы. Так, если коснуться рукой кондуктора заряженного электроскопа, заряд перераспределится между кондуктором и телом человека, а поскольку человек значительно больше кондуктора, почти весь заряд перейдет на человека.

Часто в качестве тела больших размеров используют весь земной шар: приборы, на которых не должен скапливаться электрический заряд, «заземляют» — присоединяют к массивному проводнику, закопанному в землю.

Каковы особенности внутреннего строения диэлектриков

Диэлектрики — это вещества, плохо проводящие электрический ток: при обычных условиях в них практически нет зарядов, которые могут свободно передвигаться. Обычно выделяют следующие три группы диэлектриков.

Вещества, молекулы (атомы) которых неполярные: при отсутствии внешнего электростатического поля центры распределения положительных и отрицательных зарядов, из которых состоит молекула (атом), совпадают.

Типичными примерами таких веществ являются одноатомные газы; газы, состоящие из симметричных двухатомных молекул; некоторые органические жидкости; пластмассы.

Вещества, молекулы которых полярные: при отсутствии внешнего электростатического поля центры распределения положительных и отрицательных зарядов в молекуле не совпадают, то есть электронные облака смещены к одному из атомов.

Примером полярного диэлектрика является вода (). Молекулы воды, как и молекулы других полярных диэлектриков, представляют собой микроскопические электрические диполи.

Вещества, имеющие ионную структуру. Среди них — соли и щелочи, например хлорид натрия (NaCl). Кристаллические решетки многих ионных диэлектриков можно рассматривать как состо ящие из двух вставленных друг в друга подрешеток, каждая из которых образована ионами одного знака.

При отсутствии внешнего поля каждая ячейка кристалла в целом электронейтральна.

Как электростатическое поле влияет на диэлектрик

Внесение диэлектрика во внешнее электростатическое поле вызывает поляризацию диэлектрика. В процессе поляризации неполярных диэлектриков проявляется электронный (деформационный) механизм. Под действием внешнего электрического поля молекулы неполярных диэлектриков поляризуются: положительные заряды смещаются в направлении вектора напряженности этого поля, а отрицательные — в противоположном направлении (рис. 43.8, а).

В результате молекулы превращаются в электрические диполи, расположенные вдоль силовых линий внешнего поля. В итоге на поверхностях AB и CD появляются нескомпенсированные связанные заряды противоположных знаков, образующие свое поле, напряженность которого направлена навстречу напряженности внешнего поля (рис. 43.8, б). В процессе поляризации полярных диэлектриков возникает ориентационная поляризация. Под действием внешнего электрического поля дипольные молекулы диэлектрика пытаются повернуться так, чтобы их оси были расположены вдоль силовых линий поля. Однако этому процессу препятствует тепловое движение молекул, и возникает лишь частичное упорядочение дипольных молекул (рис. 43.9).

Упорядоченность в расположении молекул вызывает появление на поверхностях AB и CD нескомпенсированных связанных зарядов противоположных знаков. Эти заряды образуют свое поле напряженностью , которая направлена противоположно напряженностивнешнего поля.

Заметим, что в полярных диэлектриках имеется и электронный механизм поляризации, то есть в результате действия электрического поля происходит смещение зарядов в молекулах. Однако эффект ориентации на несколько порядков превосходит электронный эффект, поэтому последним часто пренебрегают.

При поляризации ионных диэлектриков наблюдается ионная поляризация. Под действием внешнего поля ионы разных знаков, составляющие две подрешетки, смещаются в противоположных направлениях, и в результате на гранях кристалла появляются нескомпенсированные связанные заряды, то есть кристалл поляризуется.

Следует подчеркнуть, что ионная поляризация в чистом виде не наблюдается, — ее всегда сопровождает электронная поляризация.

Как диэлектрик влияет на электростатическое поле

Рассматривая механизмы поляризации диэлектриков, вы узнали, что внесение диэлектрика во внешнее электростатическое поле вызывает появление на его поверхности связанных зарядов. Связанные заряды создают электрическое поле напряженностью , которая внутри диэлектрика направлена противоположно напряженности внешнего поля. В результате напряженность результирующего поля внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше, чем напряженность внешнего поля: . Уменьшение модуля напряженности электростатического поля в веществе по сравнению с модулем напряженности электростатического поля в вакууме характеризуется физической величиной, которую называют диэлектрическая проницаемость ε вещества:

Диэлектрические проницаемости различных веществ могут отличаться в десятки раз. Так, диэлектрическая проницаемость газов близка к единице, жидких и твердых неполярных диэлектриков — к нескольким единицам, полярных диэлектриков — к нескольким десяткам единиц (для воды ε = 81 ). Есть вещества (их называют сегнетоэлектриками), диэлектрическая проницаемость которых составляет значение порядка десятков и сотен тысяч.

Уменьшение напряженности электрического поля в диэлектрике в ε раз по сравнению с напряженностью поля в вакууме приводит к уменьшению силы электростатического взаимодействия. Поэтому закон Кулона для случая взаимодействия двух зарядов, расположенных в диэлектрике на расстоянии r друг от друга, имеет вид:

Так же изменяются формулы для определения потенциала ϕ и модуля напряженности E поля, созданного точечным зарядом Q, расположенным в диэлектрике: , где r — расстояние от заряда до точки, в которой определяется напряженность или потенциал поля.

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.