Диэлектрики и проводники в электрическом поле

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Одним из основных понятий электрики является электрическое поле. Благодаря ему, все электрические заряды способны взаимодействовать между собой.

Оно образовано суммой электрических полей, существующих в каждом заряде.

Все тела, помещенные в эту среду, разделяются, как проводники и диэлектрики в электрическом поле, выполняющие собственные функции, в зависимости от их физических свойств.

Проводники в электрическом поле

Проводники свободно пропускают через себя электрозаряды, поскольку содержат в себе заряженные свободные носители. Классические проводники представлены различными видами металлов и электролитами.

Когда проводник попадает в электрическое поле, в нем возникает движение свободных зарядов. Оно прекращается при нулевом значении напряженности.

Разноименные заряды могут разделяться и тогда наблюдается явление электростатической индукции. В этом случае прекращается перемещение свободных зарядов вдоль поверхности проводника.

Все эти свойства проводников, на которые воздействует поле используются на практике в различных приборах и устройствах.

Диэлектрики

Тела, которые состоят из веществ, не проводящих электроразряды, получили название диэлектриков. Это связано с тем, что в них отсутствуют свободные заряды. В электротехнике такие тела играют роль изоляторов.

При помещении диэлектрика в электрическое поле, в нем не будет происходить перераспределения зарядов. Сам диэлектрик будет нейтральным на обоих концах.

Тем не менее, незаряженное диэлектрическое тело может притягиваться к заряженному объекту, поскольку поле создает поляризацию диэлектрика.

При этом, разноименные заряды, связанные между собой и находящиеся в составе молекул и атомов, смещаются в противоположные стороны.

Диэлектрики могут быть полярными и неполярными. В первом случае распределение положительных и отрицательных зарядов в молекулах не совпадает. Эти нейтральные системы называются электрическими диполями. В неполярных диэлектриках центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Их типичными представителями являются водород, кислород, инертные газы.

Следует отметить, что разделение веществ на проводники и диэлектрики достаточно условно, поскольку свободные заряды в различных количествах содержатся в каждом диэлектрике.

Источник: /electric-220.ru/news/provodniki_i_diehlektriki_v_ehlektricheskom_pole/2014-03-29-564

Инфофиз — мой мир..

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.

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.

   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.

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.

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:

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.

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 

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 Собщ = nС

при последовательном соединении Собщ = 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 We 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 We следует рассматривать как потенциальную энергию, запасенную в заряженном конденсаторе.

Источник: /infofiz.ru/index.php/mirfiziki/lkf/136-lk31ft

Проводники в электрическом поле

Проводниками
называются вещества, в которых имеются
свободные электрические заряды, способные
перемещаться под действием сколь угодно
слабого электрического поля. К проводникам
относятся металлы, электролиты,
ионизованные газы.

Если
поместить проводник в электрическое
поле, то заряды в проводнике станут
перемещаться, положительные по полю,
отрицательные — против поля. На одном
конце проводника будет скапливаться
избыток положительных зарядов, на другом
– отрицательных.

Это вызовет появление
в проводнике собственного поля Е′,
направленного против внешнего. Разделение
зарядов в проводнике будет происходить
до тех пор, пока собственное поле не
станет равным внешнему во всех точках
проводника.

А, следовательно, суммарное
поле будет равно 0: Е = Е0
— Е
= 0 .

Это значит, что
все точки проводника имеют одинаковый
потенциал: Е = ,
следовательно,
= const.
Из постоянства потенциала вдоль
поверхности следует, что силовые линии
электрического поля в диэлектриках,
окружающих проводник, перпендикулярны
к поверхности проводника.

Заряды
на противоположных краях проводника
называются индуктированными или
наведенными. Линии суммарного поля
будут частично оканчиваться на
отрицательных индуктированных зарядах
и вновь начинаться на индуктированных
положительных. Эквипотенциальные
поверхности будут огибать проводник,
а одна из них будет пересекаться
проводником.

Возникновение
индуктированных зарядов на проводнике,
помещенном в электрическое поле,
используется для зарядки проводников
при помощи электростатических индукционных
машин.

Если отвести заряд одного знака
на другой проводник (например, в землю)
и отключить второй проводник, то первый
проводник окажется заряженным.

Рассмотрим
электрическое поле, создаваемое
проводником с остриями. На больших
расстояниях от проводника эквипотенциальные
поверхности имеют форму сферы (как у
точечного заряда). По мере приближения
к проводнику эквипотенциальные
поверхности становятся все более
сходными с поверхностью проводника.

Вблизи
выступов эквипотенциальные поверхности
располагаются гуще, следовательно,
напряженность поля здесь больше. А
значит и плотность зарядов больше.
Особенно большой бывает плотность
зарядов на остриях. Поэтому напряженность
поля вблизи остриев может быть настолько
велика, что возникает ионизация молекул
газа, окружающего проводник.

Ионы
противоположного знака притягиваются
к проводнику и нейтрализуют его заряд.
Ионы того же знака начинают двигаться
от проводника, увлекая с собой и
нейтральные молекулы газа. В результате
возникает движение газа, называемое
«электрическим ветром». Заряд проводника
уменьшается, он как бы стекает с острия
и уносится ветром.

Поэтому это явление
и называется истечением заряда с острия.

Диэлектрики
в электрическом поле.

Диэлектриками
называются вещества, не проводящие
электрический ток. В идеальном диэлектрике
нет свободных электрических зарядов,
способных перемещаться под действием
электрического поля.

Атомы и молекулы
диэлектрика содержат равные количества
положительных и отрицательных зарядов
и в целом электрически нейтральны.
Однако под действием электрического
поля в диэлектрике происходит смещение
зарядов в пределах атома или молекулы.

Это явление называется поляризацией
диэлектрика.
Различают три типа поляризации:
электронную,
ионную и дипольную.

Диэлектрики
с электронной поляризацией

при внесении во внешнее электрическое
поле центры тяжести положительных и
отрицательных зарядов смещаются в
противоположные стороны на некоторое
расстояние. Каждая молекула при этом
приобретает дипольный электрический
момент, величина которого пропорциональна
приложенному внешнему полю.

При снятии
внешнего поля молекулы возвращаются в
исходное состояние и дипольный момент
обращается в 0. такие диполи называются
упругими.

Диэлектрики
с дипольной поляризацией (полярные)

Это вещества,
молекулы которых имеют асимметричное
строение. При этом центры тяжести
положительных и отрицательных зарядов
молекулы не совпадают и молекула, даже
в отсутствие внешнего электрического
поля представляет собой «жесткий»
диполь. К ним относятся вода, нитробензол
и т.д.

В отсутствие
внешнего поля дипольные моменты отдельных
молекул, вследствие теплового движения,
ориентированы хаотично в пространстве
и диэлектрик в целом дипольным моментом
не обладает. При помещении в электрическое
поле на каждый диполь будут действовать
электрические силы, стремящиеся повернуть
его вдоль поля.

Ориентации диполей по
полю будет препятствовать хаотическое
тепловое движение. В результате этих
противоположных воздействий среднее
значение проекций дипольного момента
молекул на направление поля станет не
равным нулю. Весь диэлектрик в целом
будет обладать дипольным моментом,
направленным вдоль внешнего поля.

Величина момента пропорциональна
напряженности поля и обратно пропорциональна
абсолютной температуре.

Диэлектрики
с ионной поляризацией

К ним относятся
вещества, имеющие ионное строение (NaCl,
KCl
и т.д.). При внесении их в электрическое
поле происходит некоторое смещение
положительных ионов кристаллической
решетки по полю, отрицательных – против
поля. Такой диэлектрик в целом также
будет обладать дипольным моментом,
направленным вдоль внешнего поля и
пропорциональным его величине.

Источник: /StudFiles.net/preview/2258594/page:5/

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.

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.

Определение 1

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 E0→ во всем объеме проводника: E→=E0→+E'→=0 (внутри проводника).

Определение 2

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.

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 E0→ 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.

Определение 3

Связанные заряды образуют электрическое поле E'→ направленное внутри диэлектрика противоположно вектору напряженности E0→ внешнего поля: данный процесс носит название поляризации диэлектрика.

Вследствие поляризации полное электрическое поле E→=E0→+E'→=0 внутри диэлектрика становится по модулю меньше внешнего поля E0→.

Определение 4

Диэлектрическая проницаемость вещества – это физическая величина, которая есть отношение модуля напряженности E0→ внешнего электрического поля, создаваемого в вакууме, к модулю напряженности E→ полного поля в однородном диэлектрике.

ε=E0E.

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

Определение 5

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 (H2S, NO2 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 E0→, возникнет частичная ориентация молекулярных диполей. Вследствие этого поверхность диэлектрика получит нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле E'→ направленное навстречу внешнему полю E0→ (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 E0→ 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 E0→ Таким образом происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 1.5.4).

Пример 1

В качестве примера неполярной молекулы можно рассмотреть молекулу метана CH4, в которой четырехкратно ионизированный ион углерода C4– 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 E0→.

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.

Определение 6

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 1010–1012 В/м. При этом гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.

Определение 7

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.

Определение 8

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.

Пример 2

В качестве примера описанного механизма, можно рассмотреть поляризацию кристалла NaCl, в котором ионы Na+ и Cl– составляют две подрешетки, вложенные друг в друга.

При отсутствии внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла NaCl является электронейтральной и не обладающей дипольным моментом.

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:

Определение 9

E→=14πε0·Qεr3r→, φ=14πε0Qεr.

Источник: /Zaochnik.com/spravochnik/fizika/elektricheskoe-pole/provodniki-i-dielektriki-v-elektricheskom-pole/

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Проводники в электрическом поле.Проводники — это вещества, характеризующиеся наличием в них боль­шого количества свободных носителей зарядов, способ­ных перемещаться под действием электрического поля. К проводникам относятся металлы, электролиты, уголь.

В металлах носителями свободных зарядов являются электроны внешних оболочек атомов, которые при взаи­модействии атомов полностью утрачивают связи со «своими» атомами и становятся собственностью всего проводника в целом.

Свободные электроны участвуют в тепловом движении подобно молекулам газа и могут перемещаться по металлу в любом направлении.

В металлическом теле (рис. 1.4) под действием внеш­него электрического поля, имеющего напряженность Е, свободные электроны перемещаются навстречу линиям напряженности.

В результате разделения зарядов в проводнике создается внутреннее электрическое поле с напряжен­ностью Ев, направленное противо­положно внешнему. Под действием поля смещается только часть электронов проводника, необходимая для созда­ния Ев, уравновешивающего Е.

Если бы результирующая напряженность поля внутри проводника была больше нуля, продолжалось бы раз­деление зарядов под ее действием. Внутри проводника электрическое поле отсутствует.

Это свойство на прак­тике используется для электростатического экра­нирования, т. е. защиты какого-либо устройства, например измерительного механизма прибора, от влия­ния внешних электрических полей.

Прибор помещают в металлический кожух, называемый экраном.

Диэлектрикив электрическом поле.В диэлектриках практически отсутствуют свободные носители зарядов. Все носители зарядов диэлектриков входят в состав их молекул, связаны между собой и под действием внешнего поля могут смещаться лишь на очень малые расстояния: в пределах молекулы или атома.

Многие диэлектрики имеют полярные молекулы. При электрической нейтральности молекулы в целом ее поло­жительный и отрицательный заряды расположены асим­метрично, что позволяет представить полярные молекулы так называемыми электрическими диполями, т. е. как пару разноименных зарядов, находящихся на небольшом расстоянии друг от друга.

При отсутствии внешнего поля молекулы диэлектрика ориентированы произвольно. Во внешнем поле (рис. 1.5)

Рис. 1.5

на каждый диполь действуют две силы, стремящиеся его повернуть. Смещение зарядов или ориентация дипо­лей под действием электрического поля называется поляризацией диэлектрика.

Результатом поляризации диэлектрика является обра­зование в нем собственного электрического поля, направ­ленного встречно внешнему (рис. 1.5.)

Диэлектрическая проницаемость — одна из важней­ших характеристик диэлектриков. Ее значения для раз­личных материалов приводятся в справочниках. Так, для слюды ε = 4—6, фарфора 5—7,5, бумаги 2—3, стекла 5,5—10, воздуха 1 и т. д.

Под действием электрического поля в диэлектрике наблюдается рассеяние части энергии поля, которая превращается в теплоту. Значение этой энергии в единицу времени (мощность) принято называть диэлектриче­скими потерями.

Диэлектрические потери в постоян­ном электрическом поле обусловлены протекающим через диэлектрик током (в реальном диэлектрике всегда содержится небольшое количество свободных носителей зарядов, создающих ток).

В переменном поле к ним добавляются потери, связанные с поляризацией ди­электрика.

Диэлектрические потери вызывают нагрев изоляцион­ных конструкций электроустановок и ухудшают условия их работы.

С другой стороны, нагревание некоторых веществ за счет диэлектрических потерь используется для их сушки или ускорения химических реакций.

Диэлектрики сохраняют свои электроизоляционные свойства до определенных значений напряженности поля.

Напряжен­ность поля, при которой наступает пробой диэлектрика, называется пробивной напряженностью Епр или электрической прочностью диэлектрика, а напря­жение при пробое — пробивным напряжени­ем Uпр..

Электрическая прочность — основное свойство ди­электриков. Электрическая прочность воздуха в однородном поле — 30 кВ/см, фарфора—150 кВ/см, слюды — 500 кВ/см и т. д.

Рабочие напряженности диэлектриков принимают в несколько раз (например, в 3 раза) меньше их электри­ческой прочности исходя из требований надежности.

Электроизоляционные материалы.Отдельные части электрических устройств, имеющие разные потенциалы (провода электрических линий, обмотки трансформаторов, полюсы генераторов и т. д.

) изолируются друг от друга и от земли специальными материалами, которые назы­ваются электроизоляционными.

Из газообразных диэлектриков наибольшее значение имеет воздух, обладающий малыми электропро­водностью и диэлектрическими потерями. Однако электри­ческая прочность воздуха значительно ниже, чем у боль­шинства жидких и твердых диэлектриков.

Жидкие диэлектрики (нефтяные масла, синте­тические жидкости) имеют хорошие электроизоляцион­ные свойства, с их помощью осуществляется гашение дуги в высоковольтных выключателях и охлаждение маслонаполненных аппаратов (за счет циркуляции масла). Недостатком жидких диэлектриков является резкое снижение электроизоляционных свойств при увлажнении и загрязнении.

Из твердых диэлектриков в электрических устройствах применяют:

волокнистые электроизоляционные материалы (ткань, стеклоткань, картон, бумага и др.) — для электроизоля­ции проводов, кабелей, электрических машин, аппаратов, при производстве лакотканей, гибких трубок, слоистых пластиков и т. д.;

слоистые пластики, получаемые прессованием с раз­личными связующими бумаги (гетинакс), тканей (тексто­лит, стеклотекстолит) для изготовления панелей, осно­ваний печатных схем, корпусов, прокладок и других деталей;

слюду и слюдяные изделия — как основной диэлектрик конденсаторов и межэлектродной изоляции в электрон­ных лампах, а также для изоляции электрических машин в тех случаях, если необходима повышенная надежность;

резину — для электроизоляции проводов и кабелей, изготовления гибких трубок, прокладок;

пластмассы — для изготовления фасонных деталей и узлов, требующих сочетания хороших электрических и механических свойств, электрических аппаратов и при­боров, мелких электрических машин и трансформаторов;

керамические материалы — для изготовления высоко­вольтных изоляторов, конденсаторов, каркасов катушек, штепсельных разъемов.

Особую группу твердых диэлектриков составляют сегнетоэлектрики и электреты.

Сегнетоэлектрики (сегнетовая соль, титанат бария) в отличие от обычных диэлект­риков обладают способностью самопроизвольно (без внешнего электрического поля) поляризоваться.

Они имеют сильную зависимость диэлектрической проницае­мости от напряженности поля, давления и температуры, а также большие значения относительной диэлектри­ческой проницаемости.

Электреты интересны тем, что способны длительное время находиться в наэлектризованном состоянии после снятия внешнего воздействия, вызвавшего поляризацию. Они являются электрическими аналогами постоянных магнитов.

Применяются электреты в качестве источников постоянного электрического поля в технике связи (микрофоны и телефоны), как чувстви­тельные датчики в дозиметрии, как пьезодатчики и т. д

КОНДЕНСАТОРЫ

Электрические конденсаторы предназначены для создания электрического поля и хранения его энергии.

Электрический конденсатор представляет собой два проводника (обкладки), разделенные слоем диэлект­рика. Промышленностью выпускаются бумажные, элект­ролитические, керамические и другие конденсаторы. В бумажном конденсаторе проводниками являются две длинные ленты алюминиевой фольги, а диэлектриком — ленты парафинированной бумаги.

В электролитическом конденсаторе роль диэлектрика выполняет тонкий слой окиси на поверхности обкладки из алюминиевой фольги. Конструкция плоского конденсатора показана на рис. 1.6,а; его условное обозначение — на рис. 1.6,б. Конденсатор обладает свойством накапливать и удержи­вать на своих обкладках равные по величине и разные по знаку электрические заряды.

Под зарядом q конден­сатора понимают абсолютное значение заряда одной из обкладок.

Конденсатор можно сравнить с газовым баллоном. Баллон заполняется газом под давлением, а конденса­тор заряжается под действием напряжения (рис. 1.7).

Рис. 1.6 Рис. 1.7

Чем больше напряжение, тем больше заряд конденсатора, поэтому «вместимость» конденсатора оценивается не зарядом, а отношением q/U, которое называется емкостью конденсатора:

C = q/U. (1.6)

Изменение напряжения влечет за собой прямо пропор­циональное изменение заряда конденсатора, поэтому ем­кость конденсатора от напряжения не зависит. Емкость конденсатора численно равна заряду при напряжении один вольт (1).

C = εε0S/d, (1.7)

где S — площадь обкладок; d — расстояние между обкладками. Для создания конденсаторов большой емкости применяют диэлектрики с большой диэлектри­ческой проницаемостью ε.

Следует отметить, что емкостью обладают не только конденсаторы, но и другие элементы электрических устройств, на которых накапливается электрический заряд (провода электрических линий, электроды электронных ламп и др.). Однако нередко емкостью этих устройств принебрегают.

При зарядке конденсатора (рис. 1.7) по проводникам, которыми подключены его обкладки к источнику напря­жения, протекает электрический ток. После зарядки ток отсутствует.

Почему? Поступающие в процессе зарядки на обкладки конденсатора заряды отталкивают от себя одноименные вновь прибывающие заряды, т. е. ока­зывают им противодействие.

Возрастающее при зарядке напряжение конденсатора Uc направлено встречно току и стремится уравновесить действие напряжения источ­ника U {2).

Зарядка конденсатора продолжается до тех пор, пока Uc < U, и прекращается при

U=Uс

(действие равно противодействию).

Источник напряжения, доставляя заряды на обкладки конденсатора (рис. 1.7), производит работу, значение которой определяется из формулы (1.4): A = Uq. Эта работа численно равна площади графика q(U) (рис. 1.8).

Зависимость заряда q на обкладках конденсатора от напряжения U имеет вид, показанный на рис. 1.9. Площадь графика этой зависимости (по аналогии с рис. 1.8) численно равна энергии электрического поля конденсатора Wэ, которая может быть определена как площадь прямоугольного треугольника:

Wэ = qU/2. (1.8)

На создание электрического поля конденсатора расходуется только

половина работы источника A = qU. Вторая половина этой работы расходуется на нагрев проводов, по которым заряды проходят на обкладки конденсатора.

Из формулы (1.6) q = CU. Подставив это выражение в (1.8), получаем еще одну формулу для энергии конден­сатора:

W3 = CU2/2. (1.9)

Во многих случаях для получения нужной емкости конденсаторы приходится соединять в группу, которая называется батареей. Различают параллельное и по­следовательное соединение конденсаторов.

При параллельном подключении С1, С2, С3 к источнику напряжения (рис. 1.10) все конденсаторы зарядятся до одинакового напряжения, равного напряжению источника U = U1 = U2 = U3 (так как каждый конденсатор присо­единен к полюсам источника). При этом энергия бата­реи Wэ.б , в соответствии с законом сохранения энергии,

Wэ.б=Wэ1+Wэ2+Wэ3(1.10)

Используя формулы (1.9) и (1.10), получаем (учитывая равенство напряжений)

Сб = С1 + С2 + С3

Емкость батареи параллельно соединенных конденса­торов равна сумме емкостей отдельных конденсаторов (3). Рассмотрим последовательное соединение конденсато­ров (рис. 1.11).

На обкладки 1 и 4 заряды поступают от источника питания. Заряды на внутренних обкладках 2 и 3 появляют ся за счет электростатической индукции. В резуль­тате зарядятся все обкладки конденсаторов.

qб = q1 = q2

При последовательном соединении конденсаторов за­ряд батареи и каждого конденсатора в отдельности один и тот же (4).

Из формулы (1.6) U — q/C, т. е. при последователь­ном соединении конденсаторов, напряжения на них рас­пределяются обратно пропорционально емкостям от­дельных конденсаторов.

Используя уравнения (1.10) и (1.8) и учитывая равен­ство зарядов, получаем

U=U1+U2

(действие равно сумме противодействий)

Напряжение батареи последовательно соединенных конденсаторов равно сумме напряжений отдельных конденсаторов (5). Поэтому на практике последовательное соединение конденсаторов применяется в тех случаях, когда напряжение источника превышает рабочее напря­жение конденсаторов.

Из положения (5) следует, что q/Cб = q/C1 + q/C2, т. е.

l/Cб =l/С1 + l/C2. (1.11)

По этой формуле рассчитывается емкость батареи последовательно соединенных конденсаторов. При после­довательном соединении п одинаковых конденсаторов емкость батареи на основании формулы (1.11)

Сб = С/п.

ТЕМА 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ОСТОЯННОГО ТОКА

Дата добавления: 2016-09-06; просмотров: 4020; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник: /poznayka.org/s58248t1.html

Диэлектрики и проводники в электрическом поле (10 класс)

Инфоурок › Физика ›Презентации›Диэлектрики и проводники в электрическом поле (10 класс)

Бесплатно

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд Описание слайда:

Диэлектрики и проводники в электрическом поле
2 слайд Описание слайда:

На этом уроке мы рассмотрим поведение в электрическом поле веществ, которые не могут проводить электрический ток (диэлектриков), и тех веществ, которые его проводят (проводники).

Диэлектрики и проводники в электрическом поле
3 слайд Описание слайда:

Диэлектрики в электростатическом поле. Два вида диэлектриков. Поляризация диэлектриков Проводники в электростатическом поле.

4 слайд Описание слайда:

Диэлектрики — это вещества, не содержащие свободных заряженных частиц, т.е. таких заряженных частиц, которые способны свободно перемещаться по всему объему тела.

Поэтому диэлектрики не могут проводить электрический ток. Диэлектриками являются многие твердые тела (фарфор, янтарь, эбонит, стекло, кварц, мрамор и др.), некоторые жидкости (например, дистиллированная вода) и все газы. По внутреннему строению диэлектрики разделяются на полярные и неполярные.

Диэлектрики
5 слайд Описание слайда:

В полярных диэлектриках молекулы являются диполями, в которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. К таким диэлектрикам относятся спирт, вода, аммиак и др.

Полярные диэлектрики
6 слайд Описание слайда:

Полярные диэлектрики
7 слайд Описание слайда:

К таким веществам относятся инертные газы, водород, кислород, полиэтилен и др. Неполярные диэлектрики
8 слайд Описание слайда:

Неполярные диэлектрики
9 слайд Описание слайда:

Если диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле, то происходит поляризация диэлектрика.

При этом процессе молекулы диэлектрика ориентируются по внешнему электрическому полю. На противоположных поверхностях диполя появляются связанные заряды. Это приводит к тому, что в диэлектриках возникает свое электрическое поле, направленное против внешнего, и в сумме поле внутри диэлектрика будет меньше внешнего.

Диэлектрическая проницаемость, о которой мы говорили раньше, характеризует способность диэлектрика к ослаблению внешнего поля.

Поляризация диэлектриков
10 слайд Описание слайда:

Поляризация диэлектриков
11 слайд Описание слайда:

В полярных диэлектриках поляризация происходит в результате переориентации диполей.

Когда нет внешнего поля, диполи сориентированы хаотично и суммарное поле внутри вещества равно нулю. Во внешнем поле под действием кулоновских сил происходит поворот диполей. Воздействие внешнего электрического поля испытывают все молекулы диэлектрика. Это приводит к тому, что в диэлектрике возникает собственное электрическое поле.

Электрическое поле внутри диэлектриков будет ослаблено по сравнению с внешним полем Е. Наряду с ориентирующим действием кулоновских сил, дипольные молекулы находятся под влиянием теплового движения. Тепловое движение стремится нарушить ориентацию диполей.

Поляризация полярных диэлектриков
12 слайд Описание слайда:

Поляризация полярных диэлектриков
13 слайд Описание слайда:

14 слайд Описание слайда:

Поляризация неполярных диэлектриков
15 слайд Описание слайда:

Ео -напряжённость электрического поля в вакууме Е — напряжённость электрического поля в диэлектрике  -диэлектрическая проницаемость среды Диэлектрическая проницаемость среды Е
16 слайд Описание слайда:

Главное отличие проводников от диэлектриков — наличие свободных зарядов, которые могут перемещаться под действием кулоновских сил. Это свойство проводников позволяет объяснить их поведение в электрическом поле. Проводники
17 слайд Описание слайда:

Проводники — — —
18 слайд Описание слайда:

Если проводник заряжен, то есть на нем находится избыточный заряд какого — либо знака, то из-за того, что одноименные заряды отталкиваются, они будут стремиться занять как можно больший объем и окажутся все на поверхности проводника. Наличие поля внутри привело бы к непрерывному движению зарядов до тех пор, пока поле не исчезло бы. Таким образом, внутри заряженного проводника электростатическое поле отсутствует. Потенциал внутри проводника постоянен. Внутри заряженных проводников поле равно нулю
19 слайд Описание слайда:

Металлический проводник в электростатическом поле Евнешн. Евнутр. Евнешн.= Евнутр.
20 слайд Описание слайда:

Внутри заряженных проводников поле равно нулю
21 слайд Описание слайда:

Если проводник поместить во внешнее электрическое поле, то начнется перемещение свободных зарядов таким образом, что положительные заряды скапливаются на одной стороне, а отрицательные — на противоположной. Перераспределение зарядов будет происходить до тех пор, пока поле, созданное этими зарядами, не скомпенсирует внешнее поле. Если в этот момент разделить проводник плоскостью, перпендикулярной внешнему полю, то разделенные части проводника окажутся заряженными разноименно. В разделении зарядов и заключается явление электростатической индукции. Благодаря этому явлению осуществляется электростатическая защита. Если какой-либо прибор необходимо защитить от внешних электрических полей, то его помещают в проводящую оболочку. Явление электростатической индукции

22 слайд Описание слайда:

Явление электростатической индукции
23 слайд Описание слайда:

Если напряженность электрического поля будет направлена под углом к поверхности проводника, то под действием составляющей этого поля, параллельной поверхности, заряды двигались бы непрерывно, что противоречит закону сохранения энергии. Отсюда следует вывод — напряженность электростатического поля перпендикулярна поверхности проводника. Также известно, что эквипотенциальные поверхности перпендикулярны силовым линиям, поэтому поверхность проводника является эквипотенциальной. Напряженность и потенциал на поверхности
24 слайд Описание слайда:

Диэлектрики — это вещества, не содержащие свободных заряженных частиц. В полярных диэлектриках молекулы являются диполями, в которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Неполярные диэлектрики состоят из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают. При поляризации молекулы диэлектрика ориентируются по внешнему электрическому полю. Диэлектрическая проницаемость характеризует способность диэлектрика к ослаблению внешнего поля. Выводы:
25 слайд Описание слайда:

Тепловое движение влияет на поляризацию полярных диэлектриков. Главное отличие проводников от диэлектриков — наличие свободных зарядов, которые могут перемещаться под действием кулоновских сил. Внутри заряженного проводника электростатическое поле отсутствует. Потенциал внутри проводника постоянен. Напряженность электростатического поля перпендикулярна поверхности проводника. Поверхность проводника является эквипотенциальной. Выводы:

Курс повышения квалификации ЕГЭ по физике: методика решения задач
Бесплатно

Краткое описание документа:

Общая информация

Поэтому для всех педагогов является актуальным повышение квалификации по этому направлению!

Дистанционный курс «Обучающиеся с ОВЗ: Особенности организации учебной деятельности в соответствии с ФГОС» от проекта «Инфоурок» даёт Вам возможность привести свои знания в соответствие с требованиями закона и получить удостоверение о повышении квалификации установленного образца (72 часа).

Подать заявку на курс Бесплатно Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

Источник: /infourok.ru/dielektriki_i_provodniki_v_elektricheskom_pole_10_klass-370744.htm