Проводники и диэлектрики в электрическом поле

1. Объясните, какое электрическое поле будет считаться электростатическим. 2. Сформулируйте закон Кулона для вакуума и запишите его математическое выражение. 3. Объясните, что понимается под точечными заряженными телами. 4. Сформулируйте теорему Гаусса запишите её математическое выражение. 5. Объясните, как определяется напряженностью электрических полей созданных заряженной плоскостью, заряженным шаром и заряженным прямолинейным проводом Вопросы

В зависимости от способности проводить электрический ток все вещества делятся на проводники, диэлектрики (изоляторы) и полупроводни­ки. Проводники - это вещества, хорошо проводящие электрический ток. В таких веществах имеются свободные носители заряда, концентра­ция которых может достигать м -3. Проводниками являются металлы, электролиты, расплавы, ионизованные газы, плазма и др. Диэлектрики - это вещества, плохо проводящие электрический ток. При не слишком высоких температурах и при не очень сильных полях диэлектрики проводят ток в раз хуже, чем проводники. Свобод­ных носителей заряда в диэлектриках почти нет. Диэлектриками являются газы при обычных условиях, многие чистые жидкости, слюда, фарфор, мрамор и др. Полупроводники - это вещества, которые по своей способности проводить ток занимают промежуточное положение между проводни­ками и диэлектриками. К ним относятся некоторые химически чистые элементы (кремний, германий, селен и др.) и многие химические соедине­ния.

1. Диполь. Поляризация диполя Электрический диполь – система двух равных по модулю разноименных точечных зарядов (+Q, -Q), расстояние между которыми значительно меньше расстояния до рассматриваемых точек поля.

У некоторых диэлектриков (Н 2 О, NH3, SO 2, СО и др.) молекулы имеют асимметричное строение: центры «тяжести» отрицательных и положительных зарядов у них не сов­падают. Таким образом, эти молекулы в отсутствие внешнего электриче­ского поля обладают дипольным моментом. Их называют полярными мо­ лекулами. При отсутствии внешнего поля дипольные моменты полярных молекул вследствие теплового движения ориентированы в пространстве хаотично и их суммарный момент равен нулю. Но если такой диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле, то силы поля будут стремиться повернуть диполи вдоль поля, в результате чего на поверхности диэлектрика появляются электрические заряды и возникает отличный от нуля результирующий дипольный момент. Это явление носит название поляризацией диэлектрика. Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появление под воздействием электрического поля ориентированных по полю диполе

E0E _________ _________ EДEД FЭFЭ FЭFЭ FЭFЭ FЭFЭ E0E _________ _________ a p Q Q Рисунок 2.2 – Диэлектрик в электрическом поле: а) диполь; б) действие сил на диполь, в) поляризация диэлектрика.

Другие диэлектрики (N 2, Н 2, О 2, СО 2, СН 4 и др.) имеют симмет­ричное строение молекул. У них центры «тяжести» положительных и от­ рицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпа­ дают. Их дипольный момент в силу этого равен нулю. Такие молекулы на­ зывают неполярными. В электрическом поле вследствие деформации электронных обо­лочек атомов, образующих молекулу, происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, вследствие чего молекула поляризуется и приобретает дипольный момент. В электрическом поле оси таких молекул также ориентируются по полю тем более интен­сивно, чем больше напряженность поля. Однако отделить положитель­ный заряд от отрицательного у диэлектрика нельзя; если разделить его на две или не­сколько частей, то на концах каждой части обнаружится электризация противополож­ного знака, которая исчезает после прекра­щения действия поля.

Поляризация диэлектриков ослабляет в ε раз электрическое поле в них. Относительная диэлектрическая проницаемость ε есть величина безразмерная она количественно характеризует свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.

2. Проводники в электрическом поле Под влиянием электрического поля свободные электроны проводника начнут перемешаться против поля. В результате одна часть поверхности проводника зарядится отрицательно, а другая, на которой окажется недостаток электронов - положительно. Это явление называется электростатической индукцией. Индуцированные заряды создают внутри проводника свое собственное поле, которое, очевидно, будет направлено противоположно внешнему полю, первоначально пронизывающему про­водник. Перераспределение зарядов будет происходить до тех пор, пока внешнее поле внутри проводника не с компенсируется собственным полем индуцированных зарядов. При этом перераспределение зарядов прекратит­ся и поле внутри проводника станет равным нулю. Таким образом, внутри проводника, помещенного в электрическое поле, поле отсутствует. Это оз­начает, что все точки проводника имеют одинаковый потенциал, т.е. что проводник является эквипотенциальным телом, а поверхность его является эквипотенциальной поверхностью. Электрическое поле вблизи краев и острых выступов проводника может быть столь сильным, что оказывается способным ионизировать моле­кулы воздуха. Возникает явление, называемое стеканием зарядов.

При сообщении уединенному проводнику заряда q его потенциал изменяется на Δφ. Опыт показывает, что между q и φ всегда су­ществует прямо пропорциональная зависимость Емкость уединенного проводника зависит от его размеров и формы, но совершенно не зависит от материала проводника, массы, его агрегатного состояния и температуры. За единицу электроемкости уединенного проводника в СИ прини­мают электроемкость такого проводника, потенциал которого изме­няется на 1 В при сообщении ему заряда в 1 Кл. Эта единица емкости называется фарадой: 1 Ф=1 Кл/1 В

Степень поляризации диэлектрика оценивается вектором поляризованности Р. V - объём диэлектрика; ε 0 - электрическая постоянная; χ r - диэлектрическая восприимчивость, характеризующая способность диэлектрика поляризоваться под действием электрического поля; Е - напряженность внешнего электрического поля.

Величина, показывающая, во сколько раз уменьшается напряженность внешнего поля, если вместо вакуума применить диэлектрик, называется относительной диэлектрической проницаемостью ɛ. Электрическое поле в диэлектрике можно рассматривать только в связи с зарядом свободных заряженных частиц и не учитывать явление поляризации, если в качестве характеристики поля принять векторную величину, которая называется электрическим смещением: Диэлектрик сохраняет свои свойства до определенного значения напряженности внешнего поля. Значение напряженности электрического поля, при котором начинается пробой диэлектрика (разрушение его действием сильного поля), называют пробивной напряженностью или электрической прочностью Е пр, а напряжение, при котором наступает пробой, называют пробивным напряжением U пр.

Отношение электрической прочности к действительному значению напряженности поля называют запасом прочности: