Металлы в электрическом поле
Обновлено: 13.05.2024
Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику переноса вещества не происходит, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.
Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов. Идея таких опытов и первые качественные результаты (1913 г.) принадлежат русским физикам Л.И. Мандельштаму и Н.Д. Папалекси В 1916 году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов.
Схема опыта Толмена и Стюарта показана на рис. 1.12.1. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру Г. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра.
Схема опыта Толмена и Стюарта
При торможении вращающейся катушки на каждый носитель заряда e действует тормозящая сила Eст поля сторонних сил:
Следовательно, в цепи при торможении катушки возникает электродвижущая силагде l – длина проволоки катушки. За время торможения катушки по цепи протечет заряд q, равный
Здесь I – мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи, υ0 – начальная линейная скорость проволоки.
Отсюда удельный заряд e / m свободных носителей тока в металлах равен:
Все величины, входящие в правую часть этого соотношения, можно измерить. На основании результатов опытов Толмена и Стюарта было установлено, что носители свободного заряда в металлах имеют отрицательный знак, а отношение заряда носителя к его массе близко к удельному заряду электрона, полученному из других опытов. Так было установлено, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны.
По современным данным модуль заряда электрона (элементарный заряд) равен
а его удельный заряд есть
Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов, равной по порядку величины числу атомов в единице объема.
Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основании гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит название классической электронной теории. Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла (рис. 1.12.2).
Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов
Из-за взаимодействия с ионами электроны могут покинуть металл, лишь преодолев так называемый потенциальный барьер. Высота этого барьера называется работой выхода. При обычных (комнатных) температурах у электронов не хватает энергии для преодоления потенциального барьера.
Из-за взаимодействия с кристаллической решеткой потенциальная энергия выхода электрона внутри проводника оказывается меньше, чем при удалении электрона из проводника. Электроны в проводнике находятся в своеобразной «потенциальной яме», глубина которой и называется потенциальным барьером.
Как ионы, образующие решетку, так и электроны участвуют в тепловом движении. Ионы совершают тепловые колебания вблизи положений равновесия – узлов кристаллической решетки. Свободные электроны движутся хаотично и при своем движении сталкиваются с ионами решетки. В результате таких столкновений устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. Согласно теории Друде–Лоренца, электроны обладают такой же средней энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это позволяет оценить среднюю скорость При наложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение (дрейф), то есть электрический ток. Среднюю скорость t через поперечное сечение S проводника пройдут все электроны, находившиеся в объеме Число таких электронов равно n – средняя концентрация свободных электронов, примерно равная числу атомов в единице объема металлического проводника. Через сечение проводника за время Δt пройдет заряд илиКонцентрация n атомов в металлах составляет 10 28 –10 29 м –3 .
Оценка по этой формуле для металлического проводника сечением 1 мм 2 , по которому течет ток 10 А, дает для средней скорости средняя скорость упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше средней скорости их теплового движенияРис. 1.12.3 дает представление о характере движения свободного электрона в кристаллической решетке.
Малая скорость дрейфа на противоречит опытному факту, что ток во всей цепи постоянного тока устанавливается практически мгновенно. Замыкание цепи вызывает распространение электрического поля со скоростью c = 3·10 8 м/с. Через время порядка l / c (l – длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля и в ней начинается упорядоченное движение электронов.
В классической электронной теории металлов предполагается, что движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. В этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а их взаимодействие с положительными ионами сводят только к соударениям. Предполагается также, что при каждом соударении электрон передает решетке всю накопленную в электрическом поле энергию и поэтому после соударения он начинает движение с нулевой дрейфовой скоростью.
Несмотря на то, что все эти допущения являются весьма приближенными, классическая электронная теория качественно объясняет законы электрического тока в металлических проводниках.
Закон Ома. В промежутке между соударениями на электрон действует сила, равная по модулю eE, в результате чего он приобретает ускорение где τ – время свободного пробега, которое для упрощения расчетов предполагается одинаковым для всех электронов. Среднее значение скорости дрейфаРассмотрим проводник длины l и сечением S с концентрацией электронов n. Ток в проводнике может быть записан в виде:
где U = El – напряжение на концах проводника. Полученная формула выражает закон Ома для металлического проводника. Электрическое сопротивление проводника равно:
а удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются соотношениями:
Закон Джоуля-Ленца.
К концу свободного пробега электроны под действием поля приобретают кинетическую энергию
Согласно сделанным предположениям вся эта энергия при соударениях передается решетке и переходит в тепло.
За время Δt каждый электрон испытывает Δt / τ соударений. В проводнике сечением S и длины l имеется nSl электронов. Отсюда следует, что выделяемое в проводнике за время Δt тепло равно:
Это соотношение выражает закон Джоуля-Ленца.
Таким образом, классическая электронная теория объясняет существование электрического сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля–Ленца. Однако в ряде вопросов классическая электронная теория приводит к выводам, находящимся в противоречии с опытом.
Эта теория не может, например, объяснить, почему молярная теплоемкость металлов, также как и молярная теплоемкость диэлектрических кристаллов, равна 3R, где R – универсальная газовая постоянная (закон Дюлонга и Пти, см. ч. I, § 3.10). Наличие свободных электронов на сказывается на величине теплоемкости металлов.
Классическая электронная теория не может также объяснить температурную зависимость удельного сопротивления металлов. Теория дает соотношение T. Однако наиболее ярким примером расхождения теории и опытов является сверхпроводимость.
Согласно классической электронной теории, удельное сопротивление металлов должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь конечным при всех температурах. Такая зависимость действительно наблюдается на опыте при сравнительно высоких температурах. При более низких температурах порядка нескольких кельвинов удельное сопротивление многих металлов перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения. Однако наибольший интерес представляет удивительное явление сверхпроводимости, открытое датским физиком Х.Каммерлинг-Онесом в 1911 году. При некоторой определенной температуре Tкр, различной для разных веществ, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля (рис. 1.12.4). Критическая температура у ртути равна 4,1 К, у аллюминия 1,2 К, у олова 3,7 К. Сверхпроводимость наблюдается не только у элементов, но и у многих химических соединений и сплавов. Например, соединение ниобия с оловом (Ni3Sn) имеет критическую температуру 18 К. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах. В то же время такие «хорошие» проводники, как медь и серебро, не становятся сверхпроводниками при низких температурах.
Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник
Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают исключительными свойствами. Практически наиболее важным их них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи.
Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Объяснение механизма этого явления было дано только через 60 лет после его открытия на основе квантово-механических представлений.
Научный интерес к сверхпроводимости возрастал по мере открытия новых материалов с более высокими критическими температурами. Значительный шаг в этом направлении был сделан в 1986 году, когда было обнаружено, что у одного сложного керамического соединения Tкр = 35 K. Уже в следующем 1987 году физики сумели создать новую керамику с критической температурой 98 К, превышающей температуру жидкого азота (77 К). Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при температурах, превышающих температуру кипения жидкого азота, было названо высокотемпературной сверхпроводимостью. В 1988 году было создано керамическое соединение на основе элементов Tl–Ca–Ba–Cu–O с критической температурой 125 К.
В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ с еще более высокими значениями Tкр. Ученые надеятся получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если это произойдет, это будет настоящей революцией в науке, технике и вообще в жизни людей.
Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.
Металлы в электрическом поле. Поле внутри проводника. Диэлектрики в электрическом поле. Относительная диэлектрическая проницаемость среды. Пьезоэлектрики.
Металлы в электрическом поле. Поле внутри проводника. Диэлектрики в электрическом поле. Относительная диэлектрическая проницаемость среды. Пьезоэлектрики.
Диэлектрики – вещества, в которых нет свободных электрических зарядов.
В металлах носителями зарядов являются свободные электроны. В центре металлического проводника (внутри) напряженность электрического поля равна 0. (поле полностью отсутствует)
Диэлектрическая проницаемость среды – величина, характеризующая, во сколько раз электрическое поле ослабевает.
Диэлектрическая проницаемость среды:
Пьезоэлектрики – диэлектрики, в которых наблюдается пьезоэффект, т.е. те, которые могут, либо под действием деформации индуцировать электрический заряд на своей поверхности, либо под влиянием внешнего поля деформироваться.
Электроемкость уединенного проводника.
Электроемкость – физическая величина, которая характеризует способность конденсатора накапливать электрический заряд и энергию электрического поля.
Измеряется в Фарадах (1Ф) 1Ф – электроемкость Земли
Обозначается буквой С
Конденсатор. Емкость конденсатора. Энергия заряженного конденсатора. Применение конденсаторов.
Конденсатор – устройство для накопления заряда.
С=q/U Чем больше расстояние между пластинками плоского конденсатора, тем меньше емкость конденсатора. Чем меньше площадь пластин, тем меньше емкость конденсатора.
W=CU^2/2 W=qU/2 W=q^2/(2C)
Применение: вспышка, кнопки телефона, калькулятора…
Электрический ток и условия его возникновения (источники тока – аккумуляторы и гальванические элементы)
Электрический ток – упорядоченное направленное движение заряженных частиц.
1 Наличие свободных заряженных частиц
2 Внутри проводника нужно создать электрическое поле.
Гальванический элемент. Придумал Гальвани.
Напряжение. Вольтметр.
Напряжение – физическая величина, характеризующая действие электрического поля на заряженные частицы. Напряжение показывает какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда на данном участке.
U=A/q (1Вольт) (1В) 1В=1Дж/1Кл
Прибор для измерения – Вольтметр. Включается в цепь параллельно с измеряемым участком. Соблюдать ПОЛЯРНОСТИ!
Сила тока. Единица силы тока. Включение в цепь амперметра.
Зависит от заряда носителя(q), концентрации(n), площади поперечного сечения(S).
Силой тока 1А принято называть такую силу тока, при которой два параллельных проводника, расположенных на 1м друг от друга взаимодействуют с силой 2*10 -7 Н.
Ток 0.001А – безопасен.
Прибор для измерения силы тока – амперметр. Амперметр включается в сеть последовательно с нагрузкой. При подключении соблюдать ПОЛЯРНОСТИ! БЕЗ НАГРУЗКИ не включать.
Сопротивление.
Для данного проводника отношение напряжения к силе тока в нем – величина постоянная. Это свойство называется сопротивлением.
Способность проводника ограничивать силу тока в нем называется сопротивлением.
Закон Ома: На участке цепи сила тока прямопропорциональна напряжению и обратнопропорциональна сопротивлению.
Сопротивление зависит от: Материала проводника, Его длины, Площади поперечного сечения, Температуры.
Удельное сопротивление – это сопротивление проводника длиной 1м и площадью поперечного сечения 1мм^2.
Сопротивление прямопропорционально температуре. У электролитов сопротивление обратнопропорционально температуре.
Реостат – прибор для изменения силы тока в цепи.
Законы последовательного соединения.
Законы параллельного соединения.
Работа и мощность тока. Нагревание током. Закон Джоуля-Ленца. Короткое замыкание. Предохранители.
Мощность показывает какая работа совершается за единицу времени.
Единица мощности – Ватт (1Вт) 1Вт=1Дж/1с
Нагревание током – Закон Джоуля-Ленца –
Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока.
Магнетизм.
Оптика
Закон невзаимодействия пучков света. Применение на практике, границы применения. Опыты, подтверждающие применимость этого закона.
Существует 3 закона геометрической оптики:
1. В однородной среде свет распространяется прямолинейно.
Дисперсия и ее причина. Последовательность цветов. Объяснение возникновения окрашенности окружающего мира. Примеры. Светофильтры.
Дисперсия – явление зависимости показателя преломления от длины волны, иначе, от частоты. Дисперсия – явление разложения белого света, сложного света, на его составные части, в результате прохождения через призму, в которой разница показателей преломления для каждого цвета становится причиной разложения.
Светофильтр – тело, которое отражает все цвета, кроме одного определенного.
Электричество.
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.
Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.
© cyberpedia.su 2017-2020 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!
Презентация по физике "Металлы в электрическом поле"
Пространство, окружающее электрические заряды, в котором проявляются силы, действующие на внесенные в него электрические заряды, называется электрическим полем.
Для того, чтобы создать электрическое поле, необходимо создать электрический заряд. Свойства пространства вокруг зарядов (заряженных тел) отличаются от свойств пространства, в котором нет зарядов. При этом свойства пространства при внесении в него электрического заряда изменяются не мгновенно: изменение начинается у заряда и с определенной скоростью распространяется от одной точки пространства к другой.
В пространстве, содержащем заряд, проявляются механические силы, действующие на другие заряды, внесенные в это пространство. Эти силы есть результат не непосредственного действия одного заряда на другой, а действия через качественно изменившуюся среду
Электрическое поле
Электрическое поле характеризуется воздействием на электро заряженную частицу с силой пропорциональной заряда частицы и независящей от ее скорости.
Напряжённость — векторная величина определяющая силу,действующую на заряженную частицу или тело со стороны электрического поля и численно равная отношению силы к заряду частицы.
Е = F/Q [Н/Кл] или [B/M]
Напряжённость — это основная характеристика электрического поля которая измеряет интенсивность поля. Направление вектора напряжённости совпадает с направлением силы действующей на частицу с положительным зарядом.
Электрическое поле называется однородным (равномерным) если напряжённость поля во всех точках одинаковое по величине и направлению.
Напряжённость
Электрическое напряжение (U) — это работа (А) совершаемая силой поля по перемещению заряженных частиц между двумя точками поля.
U = A/q [Дж/Кл] или [В]
Электрическое напряжение
Потенциал (φ) — это энергетическая характеристика поля численно равная отношению потенциальной энергии заряженной частицы помещенной в данной точке поля величине её заряда.
Геометрическое место поля с с одинаковым потенциалом называется эквипотенциальной поверхностью.
Потенциал
Металлы-простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами: высокой электропроводностью и теплопроводностью, отрицательным температурным коэффициентом электропроводности, способностью хорошо отражать электромагнитные волны (блеск и непрозрачность), пластичностью. М. в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение. В парообразном состоянии М. одноатомны.
Металлы
Характерными свойствами металлов являются наличие металлического блеска и пластичности, высокая электро- и теплопроводность. Характерные свойства металлов обусловлены их строением.
Атомы металлов не однородны. Атом состоит из положительно заряженного тяжелого ядра, и окружающих ядро отрицательно заряженных электронов. Число электронов равно порядковому номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева. В ядре атома находятся положительно заряженные элементарные частицы, называемые протонами. Количество протонов равно количеству окружающих ядро электронов. Кроме протонов, в ядре находятся тяжелые электрически нейтральные частицы – нейтроны. Масса электрона в 1840 раз меньше массы протона или нейтрона. Таким образом, вся масса атома сосредоточена в его ядре.
Электроны быстро вращаются вокруг ядра. Внешние, так называемые валентные, электроны у всех металлов относительно слабо связаны с ядром. Слабой связью внешних валентных электронов с ядром и объясняются характерные металлические свойства.
Проводники - это вещества, проводящие электрический заряд
Проводники
1.Электрические
-Удельное сопротивление веществ от которого зависит электропроводимость.
-Сверхпроводимость-это свойство некоторых материалов при температуре равной 101(-273) проводить эл.ток без препятствий, т.е. удельное сопротивление этих материалов равно нулю
2.Физические
-плотность
-температура плавления
3.Механические
-Прочность на изгиб, растяжение и т.д., а также способность обрабатываться на станках.
4.Химические
-Свойства взаимодействовать с окружающей или противостоять коррозии.
-Свойства соединятся при помощи пайки, сварки.
Рабочие листы и материалы для учителей и воспитателей
Более 3 000 дидактических материалов для школьного и домашнего обучения
Учебное пособие по предмету электротехника по теме "Электрическое поле"
Представленный материал учебного пособия позволяет изучить:
· из чего состоит атом
· напряженность электрического поля
· электрический потенциал, напряжение электрического поля
Контрольная проверка знаний имеет цель определить степень усвоения учебного материала всего цикла.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАРЯДЫ. ЗАКОН КУЛОНА
Из курса физики известно, что все вещества состоят из атомов и молекул. Важнейшими структурными элементами атомов являются элементарные частицы материи.
Протоны – частицы, обладающие положительным электрическим зарядом. Они входят в состав атомного ядра. сообщая ему положительный заряд.
Электроны - мельчайшие отрицательно заряженные частицы . которые с огромной скоростью вращаются вокруг ядра по замкнутым орбитам. Число электронов в атомах различных химических элементов неодинаково.
В атомах различных химических веществ, находящихся в обычном состоянии, существует электрическое равновесие: общий отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. В этом случае атомы, а значит все вещество – электрически нейтральны.
Если атом данного вещества теряет один или несколько электронов, то равновесие
электрических зарядов нарушается и атом превращается в положительный ион.
Если же атом получает лишние электроны, то он заряжается отрицательно, превращаясь в отрицательный ион.
Процесс превращения нейтрального атома в ион называется ионизацией.
Тело называют электрически заряженным , если в нем преобладают положительные или отрицательные заряды.
Принято заряд обозначать Q (или q ) и измерять в кулонах (Кл).
Электрические заряженные тела (частиц) взаимодействуют друг с другом.
При разноименных зарядах тела притягиваются друг к другу, а при одноименных отталкиваются
Q 1 Q 2 На рисунка представлены два точечных тела с зарядами
F F Q 1 и Q 2. Заряженные тела называются точечными.
Связь между этими величинами была сформулирована
французским ученым Кулоном в 1775 году:
величина силы взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел прямо пропорциональна произведению зарядов этих тел, обратно пропорциональна произведению зарядов этих тел, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и зависит от среды.
Закон Кулона выражается следующей формулой: F = Q 1 Q 2 / 4 p R 2 ξ a
ξ a - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды ( ( она учитывает влияние среды, в которой находятся заряженные точечные тела, на силу их взаимодействия).
Опытным путем установлено, что ξо = 8,85 х 10 -12 Ф/м. (фарад / метр).
Величина, показывающая, во сколько раз абсолютная диэлектрическая проницаемость вещества ξ a больше электрической постоянной ξо называется относительной диэлектрической проницаемостью этого вещества ξ. ξ= ξ a / ξо
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ. НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ .
Электромагнитное поле имеет две взаимосвязанные стороны – электрическое и магнитное поля. Вокруг заряженных неподвижных тел обнаруживается только электрическое поле.
Простейшим случаем электрического поля является поле неподвижных зарядов, которое электростатическим.
Напряженность электрического поля равна отношению силы F , действующей на неподвижное положительно заряженное пробное тело, помещенное в данную точку поля, к величине заряда q этого поля.
Напряженность электрического поля обозначают буквой Ɛ = F / q
В СИ сила измеряется в ньютонах (Н), а заряд – в кулонах (Кл). Поэтому единица напряженности Н/Кл = Дж/м Кл = В/м. Следовательно напряженность электрического поля измеряется в вольтах на метр.
Если напряженность поля в какой-либо точке равна 100 В/м, значит на пробное тело с единичным зарядом, помещенное в эту точку, действует сила F = 100 Н.
Чем больше напряженность электрического поля и значение заряда пробного тела, тем больше и сила F , действующая на него.
Электрическое поле, во всех точках которого векторы напряженности одинаковы,называется однородным.
На рисунке изображено электростатическое поле, создаваемое неподвижным точечным
Q телом с положительным зарядом Q .
А Б В точку А этого поля помещена пробная части-
F F ца, обладающая положительным зарядом q .
Эта частица может перемещаться по направ-
R q dR q лению действующей на нее силы за пределы поля.
При этом силами поля будет произведена работа
за счет энергии поля тел с зарядами Q и q .
Отношение потенциальной энергии заряженной частицы (пробного тола), помещенной в данную точку электрического поля, к величине ее заряда называется электрическим потенциалом поля в этой точке .
В точке А электрический потенциал φа= WA / q , а в точке Б потенциал φб= W Б / q . В СИ единицей измерения потенциала является вольт (В)
Разность потенциалов двух точек электрического поля называется электрическим напряжением .
Напряжение U между любыми двумя точками электрического поля численно равно работе, затраченной на перемещение единичного заряда из одной точки поля в другую
Электрическое напряжение измеряют вольтметром, присоединяя его зажимы к точкам,напряжение между которыми требуется определить. Если один зажим вольтметра соединить с точкой А, а другой заземлить, то измеренное им напряжение будет равно потенциалу поля в точке А.
ПРОВОДНИКИ, ДИЭЛЕКТРИКИ И ПОЛУПРОВОДНИКИ
Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники. Проводники бывают первого и второго родов. К проводникам первого рода относятся все металлы и их сплавы. Кристаллическая решетка металла состоит из ряда положительных ионов, между которыми по всем направлениям перемещаются свободные электроны. При отсутствии внешнего электрического поля свободные электроны в металле перемещаются беспорядочно.
Поместим металлический проводник в виде пластинки в электрическое поле плоского конденсатора напряженностью Ɛ. Под действием сил поля свободные электроны металлической пластины будут перемещаться к положи
тельно заряженной пластине конденсатора и накапливаться на одной поверхности АГ, создавая на ней отрицательный заряд индукции - Q инд . На другой поверхности пластины БВ появиться такой же положительный
заряд + Q инд . Таким образом, в пластине будет происходить разделение электрических
зарядов. Довольно быстро заряд Q инд достигнет величины
заряда на пластинах конденсатора Q . После этого разделе-
Явление разделения электрических зарядов в проводящем
теле под действием электрического поля называется
электростатической индукцией.
Заряды электростатической индукции + Q инд и - Q инд
создадут в проводнике внутреннее поле с напряженностью Ɛ инд
направленное противоположно внешнему полю. При равенстве зарядов равны и напряженности. Таким образом, внутри металлического проводника
возникает внутреннее поле, полностью уравновешивающее внешнее. Поэтому напряженность результирующего поля внутри проводника будет равна нулю.
Электрическое поле будет отсутствовать не только в сплошном проводнике, но и внутри металлической оболочки.
Это свойство используется для защиты приборов от действия электростатических полей. Для этого прибор заключают в металлическую оболочку или сетку-экран.
К проводникам второго рода относятся расплавленные соли и водные растворы солей, кислот, щелочей. Эти проводники называются электролитами. При растворении часть молекул соли, кислоты или щелочи распадается на положительные и отрицательные ионы, которые беспорядочно перемещаются по объему электролита. Но если в электролите создать электрическое поле, то под действием его сил ионы придут в упорядоченное движение: положительные ионы будут перемещаться в направлении поля, а отрицательные – в противоположном. Такое упорядоченное движение ионов и представляет собой
электрический ток.
Таким образом, по проводникам первого рода могут перемещаться свободные электроны, а по проводникам второго – ионы.
К диэлектрикам относятся :
· все газообразные тела в обычном состоянии
· твердые тела, за исключением металлов и его сплавов и угля
· ряд жидких веществ (химически чистая вода, лаки и др.)
В диэлектриках при нормальных условиях в отличие от проводников свободные электрически заряженные частицы почти отсутствуют. Поэтому они не проводят электрический ток . При некоторых условиях в диэлектриках может произойти расщепление молекул на ионы ( под действием высокой температуры или сильного электрического поля). В этом случае они теряют изолирующие свойства и становятся проводниками. Поместим в электрическое поле плоского конденсатора пластину диэлектрика . Если в
проводнике под влиянием сил электрического поля заря-
женные частицы передвигаются по всему объему провод-
ника, то в диэлектрике свободного перемещения электри-
ческих зарядов произойти не может. Сдвинутые и одновре-
менно связанные друг с другом заряженные частицы в
пределах молекулы образуют диполь. Это явление
называется поляризацией диэлектрика . Его поляри-
зованность тем больше, чем сильнее электрическое поле.
На поверхностях АБ и ВГ диэлектрика, обращенных
к пластинам конденсатора, сосредоточены заряды
+ Q и – Q . Внутри диэлектрика положительные и отрица-
тельные заряды диполей взаимно уравновешиваются.
При некотором значении напряженности внешнего поля может произойти местное разрушение диэлектрика с образованием канала высокой проводимости – пробой диэлектрика , в результате которого он потеряет свои изолирующие свойства и становится проводником.
Величина напряженности электрического поля, при которой наступает пробой диэлектрика, называется электрической прочностью диэлектрика или пробивной напряженностью.
Напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика называется
пробивным напряжением
По значению своей электропроводности полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. К ним относятся такие вещества,как германий, кремний, их соединения, оксиды металлов.
Проводимость полупроводников в сильнейшей степени зависит от условий. в которых они находятся: температуры, освещенности, технологии изготовления данного образца,от наличия атомов примесей.
Легирование – введение в чистый полупроводник различных примесей, даже в очень малых количествах, меняет его свойства.
В полупроводниках имеются носители заряда двух типов : электроны и дырки.
Дырки – это положительные заряды атомов с недостающими электронами на орбите.
Сама дырка не содержит заряда. Но в том месте, где она образуется, заряд атома не уравновешен, т.к. здесь отсутствует один электрон. Такой атом может перехватить электрон у своего соседа, и теперь уже тот станет носителем положительного заряда.
В результате быстрого перескакивания электрона от одного атома к другому в полупроводнике перемещается дырка и возникает дырочный ток.
Поэтому полупроводники обладают не только электронной, но и дырочной проводимостью.
В чистых полупроводниках количество образующихся дырок равно количеству отрывающихся от атомов электронов, т.е. дырочная проводимость равна электронной.
Но вот в структуру полупроводника проникли чужеродные атомы – атомы примеси, и тогда наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная примесная проводимость . Изменяя концентрацию атомов примеси, можно значительно изменять число носителей заряда того или иного знака.
После введения некоторых примесей, их называют донорами , в полупроводнике появляются свободные электроны. Другие примеси, их называют акцепторами, создают в полупроводнике свободные положительные заряды.
Полупроводниковые материалы с донорными примесями называют полупроводники п-типа , а с акцепторными примесями – полупроводниками р-типа.
В полупроводниках п-типа электроны являются основными носителями тока, в дырки, представленные в меньшинстве, - неосновными. В полупроводниках р-типа основными носителями являются дырки, а неосновными – электроны.
В технике наиболее широко применяются полупроводниковые кристаллы, в смежные области которых внедрены различные типы примесей. Например, в левую часть кристалла введена акцепторная примесь, а в правую – донорная. Таким образом, в одном кристалле соприкасаются участки с электропроводимостью разного типа. На границе раздела двух областей, обладающих п- и р- проводимостью, возникает особая зона, так называемый электронно-дырочный переход , или сокращенно р-п переход.
Проводники и диэлектрики в электрическом 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 и внутреннего поляВещество 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 не скомпенсированные 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 во всем объеме 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).
Электростатическая защита. Поле в металлической полости равно нулю
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 связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.
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 направленное навстречу внешнему полю
Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика
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 , направленное навстречу внешнему полюДеформация 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.
Поляризация неполярного диэлектрика
Электрическое поле . 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 10 10 –10 12 В/м. 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 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:
Читайте также: