Что происходит в однородном металлическом проводнике при внесении его в электростатическое поле

Обновлено: 22.04.2024

При внесении проводника в электрическое поле положительные заряды (ядра) и отрицательные (электроны) разделяются. Это явление получило название электростатической индукции. Появляющиеся заряды в результате этого процесса – индуцированные. Они создают дополнительное электрическое поле.

Направление поля таких зарядов – противоположная сторона относительно внешнего. Заряды, которые накапливаются на концах проводника, способны ослаблять внешнее поле. Их перераспределение идет до тех пор, пока не выполняются условия равновесия зарядов для проводников.

Условия равновесного состояния заряда в проводнике

Чтобы заряд на проводнике был в состоянии равновесия, необходимо:

• напряженность поля внутри равнялась нулю E → = 0 , то есть с неизменным потенциалом внутри поля с эквипотенциальным объемом проводника;
• направление вектора E → на поверхности проводника перпендикулярно относительно самого проводника в любой точке поля, при равновесном состоянии поверхности заряда наличие эквипотенциальной поверхности проводника.

Если имеется проводник, заряженный до заряда q , то его распределение выполнится таким образом, что он будет находиться в равновесии. Произведем выделение замкнутой поверхности в переделах указанного тела. Внутри проводник отсутствует, поэтому поток вектора напряженности через избранную поверхность будет равняться нулю. По теореме Гаусса-Остроградского внутри поверхности зарядов нет, соответственно их сумма равна 0 .

Выбранная поверхность – произвольная, поэтому в равновесном состоянии зарядов просто не может быть внутри. Они все распределяются по поверхности с плотностью σ . В проводнике отсутствуют некомпенсированные заряды, поэтому при удалении вещества из него не произойдет перемен в равновесии зарядов. Они просто не могут находиться на поверхности полости проводника в таком состоянии.

Истечение заряда с острия

При наличии большего расстояния от проводника, чем его размеры, рисунок линий похож на поле точечного заряда. Эквипотенциальные поверхности имеют форму сферы, как и у точечного заряда. Вблизи выступов эквипотенциальные поверхности располагаются гуще, тогда напряженность поля больше. Отсюда следует, что особенно большая плотность заряда наблюдается на выступах. Напряженность поля на острие может быть настолько велика, что возникает ионизация молекул газа, который окружает проводник.

Ионы газа с противоположным знаком заряда (относительно заряда проводника) притягиваются к проводнику, нейтрализуя его заряд. Ионы с одинаковыми знаками отталкиваются от проводника, причем «тянут» за собой нейтральные молекулы газа. Явление получило название электрического ветра.

Уменьшение заряда проводника происходит в процессе нейтрализации, то есть стекание с острия. Это явление называется стечением заряда с острия.

Электрическое смещение поля в однородном изотропном диэлектрике около заряженного проводника равняется:

D = σ с σ , обозначающей поверхность распределения зарядов и зависящей от кривизны поверхности.

Запись формулы напряженности приобретает вид:

E = σ ε ε 0 , где ε 0 - электрическая постоянная, а ε - диэлектрическая проницаемость среды.

На элемент поверхности проводника с площадью d S действует сила d F , которая вычисляется по формуле:

d F = σ 2 d S ε ε 0 = ε ε 0 E 2 d S 2 , где E → является напряженностью поля в диэлектрике, в точке нахождения проводника, а d F → направлена в сторону внешней нормали к поверхности проводника.

Примеры решения задач

Описать поведение линий поля при внесении проводника, не обладающего зарядом в электростатическом поле.

Решение

Если внести нейтральный проводник в электрическое поле, то заряды разделяются на отрицательные и положительные – происходит образование индуцированных зарядов. Их перераспределение начинается с момента выполнения условий о равенстве нулю напряженности внутри проводника и перпендикулярности вектора напряженности поля поверхности проводника.

Нейтральный проводник участвует в разрыве части линий напряженности поля, они заканчиваются на отрицательных индуцированных зарядах, которые возникли на поверхности проводника, и снова начинаются с положительных. Распределение индуцированных зарядов идет по поверхности проводника, как указано на рисунке 1 . При имеющейся полости внутри проводника в равновесном состоянии поле внутри нее равняется нулю.

Положительный точечный заряд создает электростатическое поле. В него вносится шар, являющийся проводником. Какими будут эквипотенциальные поверхности и силовые линии результирующего поля?

При внесении в поле незаряженного проводящего шара, на нем индуцируются заряды, которые распределяются по поверхности шара так, чтобы внутри него поле равнялось нулю, а линии напряженности перпендикулярны к любой точке шара. На рисунке 2 изображены распределения индуцированных зарядов.

Если силовые линии удалять от заданной системы, то по виду они приближаются к радиальным. Эквипотенциальные поверхности результирующего поля становятся сферами.

Получить формулу напряженности поля в вакууме около поверхности заряженного проводника, если положительный заряд распределен по поверхности проводника с поверхностной плотностью σ .

Решение данного задания возможно при применении теоремы Гаусса-Остроградского. Необходимо выделить небольшую цилиндрическую поверхность на поверхности проводника таким образом, чтобы ось цилиндра была перпендикулярна поверхности, как показано на рисунке 3 .

Расположение линий напряженности поля относительно поверхности проводника перпендикулярно и параллельно относительно осей цилиндра. Определение потока вектора напряженности через площадку ∆ S , используя теорему Гаусса-Остроградского, равняется:

Для определения находящегося внутри выделенной поверхности заряда следует использовать формулу:

Далее нужно совершить подстановку E ∆ S = q ε 0 в q = σ · ∆ S и выразить напряженность поля:

E ∆ S = σ · ∆ S ε 0 → E = σ ε 0 .

Ответ: E = σ ε 0 . При положительном заряде σ > 0 направление вектора напряженности следует от поверхности.

Что происходит в однородном металлическом проводнике при внесении его в электростатическое поле

Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля и внутреннего поля создаваемого заряженными частицами вещества.

Вещество многообразно по своим электрическим свойствам. Наиболее широкие классы вещества составляют проводники и диэлектрики .

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. Типичные проводники – металлы.

В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды (рис. 1.5.1). Этот процесс называют электростатической индукцией , а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами .

Индукционные заряды создают свое собственное поле которое компенсирует внешнее поле во всем объеме проводника: (внутри проводника).

Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.

Все внутренние области проводника, внесенного в электрическое поле, остаются электронейтральными. Если удалить некоторый объем, выделенный внутри проводника, и образовать пустую полость, то электрическое поле внутри полости будет равно нулю. На этом основана электростатическая защита – чувствительные к электрическому полю приборы для исключения влияния поля помещают в металлические ящики (рис. 1.5.2).

Так как поверхность проводника является эквипотенциальной, силовые линии у поверхности должны быть перпендикулярны к ней.

В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные нескомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.

Связанные заряды создают электрическое поле которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности внешнего поля. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика . В результате полное электрическое поле внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше внешнего поля

Физическая величина, равная отношению модуля напряженности внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности полного поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества .

Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная и электронная поляризации. Эти механизмы проявляются главным образом при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.

Ориентационная или дипольная поляризация возникает в случае полярных диэлектриков , состоящих из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи – нейтральную совокупность двух зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Дипольным моментом обладает, например, молекула воды, а также молекулы ряда других диэлектриков (H₂S, NO₂ и т. д.).

При отсутствии внешнего электрического поля оси молекулярных диполей из-за теплового движения ориентированы хаотично, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем равен нулю.

При внесении диэлектрика во внешнее поле возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле направленное навстречу внешнему полю (рис. 1.5.3).

Поляризация полярных диэлектриков сильно зависит от температуры, так как тепловое движение молекул играет роль дезориентирующего фактора.

Электронный или упругий механизм проявляется при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не обладают в отсутствие внешнего поля дипольным моментом. Под действием электрического поля молекулы неполярных диэлектриков деформируются – положительные заряды смещаются в направлении вектора а отрицательные – в противоположном направлении. В результате каждая молекула превращается в электрический диполь, ось которого направлена вдоль внешнего поля. На поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные связанные заряды, создающие свое поле направленное навстречу внешнему полю Так происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 1.5.4).

Деформация неполярных молекул под действием внешнего электрического поля не зависит от их теплового движения, поэтому поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры. Примером неполярной молекулы может служить молекула метана CH₄. У этой молекулы четырехкратно ионизированный ион углерода C 4– располагается в центре правильной пирамиды, в вершинах которой находятся ионы водорода H + . При наложении внешнего электрического поля ион углерода смещается из центра пирамиды, и у молекулы возникает дипольный момент, пропорциональный внешнему полю.

Электрическое поле связанных зарядов, возникающее при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, изменяется по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля В очень сильных электрических полях эта закономерность может нарушаться, и тогда проявляются различные нелинейные эффекты . В случае полярных диэлектриков в сильных полях может наблюдаться эффект насыщения , когда все молекулярные диполи выстраиваются вдоль силовых линий. В случае неполярных диэлектриков сильное внешнее поле, сравнимое по модулю с внутриатомным полем, может существенно деформировать атомы или молекулы вещества и изменить их электрические свойства. Однако, эти явления практически никогда не наблюдаются, так как для этого нужны поля с напряженностью порядка . Между тем, гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.

У многих неполярных молекул при поляризации деформируются электронные оболочки, поэтому этот механизм получил название электронной поляризации . Этот механизм является универсальным, поскольку деформация электронных оболочек под действием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика.

В случае твердых кристаллических диэлектриков наблюдается так называемая ионная поляризация , при которой ионы разных знаков, составляющие кристаллическую решетку, при наложении внешнего поля смещаются в противоположных направлениях, вследствие чего на гранях кристалла появляются связанные (нескомпенсированные) заряды. Примером такого механизма может служить поляризация кристалла NaCl, в котором ионы Na + и Cl – составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. В отсутствие внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла NaCl (см. Часть I § 3.6 ) электронейтральна и не обладает дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки смещаются в противоположных направлениях, т. е. кристалл поляризуется.

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

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

Урок по физике в 10-м классе по теме "Диэлектрики и проводники в электрическом поле"

Оборудование: персональный компьютер, мультимедийный проектор, экран, электрометр с набором тел, гильза на штативе, пластина из оргстекла, лист пластика.

Методы обучения: объяснительно-иллюстративный, практический.

Учебник: Физика 10 класса, В.А. Касьянов, М., ДРОФА, 2005 г.

План урока

Этапы урока

Время, мин

Приемы и методы

2. Активизация знаний.

3. Изучение нового материала. Лекция.

Беседа, рассказ, сопровождающийся презентацией и демонстрацией опытов

4. Подведение итога урока.

Работа с карточкой

5. Домашнее задание

ХОД УРОКА

Организационный момент:

На предыдущих уроках по теме “электростатика” мы увидели много опытов, демонстрирующих электрические взаимодействия. Эти и другие не менее интересные опыты и явления можно осознать и объяснить после изучения темы урока.

Объявление темы урока: (приложение 1, слайд №1)

Ребята, запишите в тетради тему урока: “Диэлектрики и проводники в электростатическом поле”. На этом уроке мы рассмотрим поведение в электростатическом поле веществ, которые не могут проводить электрический ток (диэлектриков), и тех веществ, которые его проводят (проводники) (приложение 1, слайд №2).

Вашему вниманию предлагается лекционная подача материала, в тетради необходимо сделать краткие записи, которые помогут в подготовке по теме.

1. Учащимся предлагается план лекции (приложение 1, слайд № 3).
2. Проводники и диэлектрики.

Учитель: Давайте разберемся, почему диэлектрики не проводят электрический ток.

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.

Диэлектрики иначе называются изоляторами, назовите примеры твердых тел, являющихся диэлектриками (изоляторами).

Ученики: Диэлектриками являются многие твердые тела (фарфор, янтарь, эбонит, стекло, кварц, мрамор и др.), некоторые жидкости (например, дистиллированная вода) и все газы.

Учитель: По внутреннему строению диэлектрики разделяются на полярные и неполярные (приложение 1, слайд № 4).

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. (приложение 1, слайд № 5).

Рассмотрим поведение типичного полярного диэлектрика в электрическом поле (слайд №6). Сообщаем, что в отличие от проводников в диэлектриках нет свободных зарядов, которые могли бы под действием поля перемещаться по всему объему. Все электрические заряды диэлектрика связаны с молекулами и атомами вещества. Под действием электрического поля эти заряды могут смещаться только в пределах микроскопических объемов. Процесс смещения этих зарядов называют, поляризацией диэлектриков.

Неполярные диэлектрики состоят из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают. К таким веществам относятся инертные газы, водород, кислород, полиэтилен и др. (приложение 1, слайд № 7, 8).

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 (приложение 1, слайд № 9, 10).

Внесём полярный диэлектрик в электростатическое поле и посмотрим, что при этом произойдёт. 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 (приложение 1, слайд № 11, 12).

Когда неполярный диэлектрик помещают во внешнее электрическое поле, происходит перераспределение зарядов внутри молекул таким образом, что в целом в диэлектрике появляется собственное поле. В отличие от полярных диэлектриков, здесь нет влияния теплового движения на процесс поляризации (приложение 1, слайд № 13, 14).

Убедимся в этом на опыте. Возьмём электрометр с металлическим диском и зарядим его положительно. Поднесём к диску лист пластика, стрелка электрометра приблизилась к стержню. Значит, диэлектрик ослабляет поле диска.

Для того чтобы описать, как сильно ослабляет диэлектрик электрическое поле, вводят величину, которую называют диэлектрической проницаемостью.

Если обозначить Ео - напряжённость электрического поля в вакууме;

Е - напряжённость электрического поля в диэлектрике;

e-диэлектрическая проницаемость среды, то получим формулу (приложение 1, слайд № 15):

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 (приложение 1, слайд № 16, 17).

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 (приложение 1, слайд № 18).

Проведём опыт. Поднесём незаряженную гильзу к заряженной стеклянной пластине. Гильза притянется к пластине. А ведь в электрические взаимодействия вступают только заряженные тела! Посмотрим, как такое возможно. Когда мы подносим гильзу к заряженной пластине, то под действием её электрического поля свободные электроны металлической гильзы приходят в направленное движение и собираются на левой стороне гильзы. Поэтому гильза притягивается к пластине (приложение 1, слайд № 19).

Правая сторона гильзы, с которой “сбежали” электроны, заряжается положительно. Поэтому внутри гильзы возникает своё электрическое поле, направленное против внешнего поля. И как только внутреннее поле станет равным внешнему полю, движение электронов прекратится. Внутри заряженного проводника поле становится равным нулю (приложение 1, слайд № 20).

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 (приложение 1, слайд № 21, 22).

Этот вывод наглядно продемонстрировал английский физик Майкл Фарадей. Он провёл следующий опыт. Оклеил большую деревянную клетку листами станиоля (оловянной бумагой) и изолировал её от Земли. При помощи электрической машины Фарадей очень сильно зарядил клетку, а сам поместился в неё с чувствительным электроскопом. При этом электроскоп не показывал никакого отклонения.

Можно провести подобный опыт. (Демонстрируется опыт)

Возьмём электрометр, на стержне которого укреплена малая сфера, и поднесём к нему положительно заряженную стеклянную пластину. Под действием поля пластины стрелка электрометра отклонится от стержня. Накроем теперь сферу калориметром и так же поднесём заряженную пластину. Стрелка отклоняться не будет. Калориметр оказывает экранирующее действие. Внутри него электрического поля нет.

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 (приложение 1, слайд № 23).

Сегодня на уроке мы разобрали поведение проводников и диэлектриков в электрическом поле. Сделаем выводы: (приложение 1, слайд № 24, 25).

• 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.
• 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

Самопроверка Выполнение тестового задания (на карточках).

1. Какое из перечисленных веществ лишнее?
   1. Железо
   2. Резина
   3. Дерево
   4. Шёлк
   1. Разноименно заряженными
   2. Одноименно заряженными
   3. Нейтральными
   4. Однозначно ответить нельзя
   1. Разделение разноименных зарядов в электрическом поле
   2. Процесс передачи диэлектрику заряда
   3. Смещение относительно друг друга связанных зарядов в молекуле под действием электрического поля
   4. Распад молекул на ионы
   1. 1000 Н/Кл
   2. 10000 Н/Кл
   3. 20000 Н/Кл
   4. 40000 Н/Кл

   Домашнее задание: §§ 85–87 по учебнику В.А.Касьянова-10; конспект лекции.

   Заполнить таблицу (пропущенные клетки)

   Проводники в электрическом поле

   Диэлектрики в электрическом поле

   1. Есть свободные электроны

   2. В электрическом поле молекулы и атомы поворачиваются так, что с одной стороны в диэлектрике появляется избыточный положительный заряд, а с другой - отрицательный

   3. Внутри проводника электрического поля нет

   4. Диэлектрик можно разделить на 2 части в электрическом поле, но каждая из них будет незаряженной

   Инфофиз. Репетитор по физике и информатике

   Человек, который никогда не ошибался, никогда не пробовал сделать что-нибудь новое.

   Альберт Эйнштейн

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

   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 и внутреннего поля
   

   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 во всем объеме 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.

   При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.

   Связанные заряды создают электрическое поле . 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 .

   Физическая величина, равная отношению модуля напряженности внешнего электрического поля в вакууме , 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 могут иметь сложную структуру, зависящую от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле 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:

   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 1 + 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

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

   Следовательно,

   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.

   Читайте также:

     
   • Греческий орнамент из металла
     
   • Пропорции соли и воды для травления металла
     
   • Литий это активный металл
     
   • Плотность тока в металлах
     
   • Гост на шкаф металлический для документов