Проводники и диэлектрики в электрическом поле

 

Если поместить проводник во внешнее электростатическое поле или его зарядить, то на заряды проводника будет действовать электростатическое поле, в результате чего они начнут перемещаться до тех пор, пока не установится равновесное распределение зарядов, при котором электростатическое поле внутри проводника обращается в нуль E = 0.

Иначе, если бы поле не было равно нулю, то в проводнике возникло бы упорядоченное движение зарядов без затраты энергии от внешнего источника, что противоречит закону сохранения энергии. Следствия этого (E = – grad φ = 0 => φ= const): потенциал во всех точках проводника одинаков; поверхность проводника является эквипотенциальной; вектор E направлен по нормали к каждой точке поверхности. При помещении нейтрального проводника во внешнее поле свободные заряды (электроны и ионы) начнут перемещаться: положительные – по полю, а отрицательные – против поля.

 

 

На одном конце проводника будет избыток положительных зарядов, на другом – отрицательных. Эти заряды называются индуцированными.

Процесс будет продолжаться до тех пор, пока напряженность поля внутри проводника не станет равной нулю, а линии напряженности вне проводника – перпендикулярными его поверхности. Если проводнику сообщить некоторый заряд q, то некомпенсированны езаряды располагаются только на поверхности проводника, причем D = σ и E = σ/ ε₀ε, где σ - поверхностная плотность зарядов, и ε – диэлектрическая проницаемость среды, окружающей проводник.

Нейтральный проводник, внесенный в электростатическое поле, разрывает часть линий напряженности; они заканчиваются на отрицательных индуцированных зарядах и вновь начинаются на положительных. Индуцированные заряды распределяются на внешней поверхности проводника. Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией.

Диэлектриками называются вещества, которые при обычных условиях практически не проводят электрический ток. Диэлектрик, как и всякое другое вещество, состоит из атомов или молекул, каждая из которых в целом электрически нейтральна. Если заменить положительные заряды ядер молекул суммарным зарядом + q, находящимся в, так сказать, "центре тяжести" положительных зарядов, а заряд всех электронов - суммарным отрицательным зарядом -q, находящимся в "центре тяжести" отрицательных зарядов, то молекулы можно рассматривать как электрические диполи с электрическим моментом. Различают три типа диэлектриков. Диэлектрики с неполярными молекулами, симметричные молекулы которых в отсутствие внешнего поля имеют нулевой дипольный момент.

Диэлектрики с полярными молекулами, молекулы которых вследствие асимметрии имеют ненулевой дипольный момент. Ионные диэлектрики. Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков. Внесение диэлектриков во внешнее электрическое поле приводит к возникновению отличного от нуля результирующего электрического момента диэлектрика.

Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появления под воздействием электрического поля ориентированных по полю диполей.

Соответственно трем видам диэлектриков различают три вида поляризации.

 

1) Электронная, или деформационная, поляризация диэлектрика с
неполярными молекулами – за счет деформации электронных орбит возникает индуцированный дипольный момент у атомов или молекул диэлектрика.

 

2) Ориентационная, или дипольная, поляризация диэлектрика с полярными молекулами – ориентация имеющихся дипольных моментов молекул по полю (эта ориентация тем сильнее, чем больше напряженность электрического поля и чем ниже температура).

 

3) Ионная поляризация диэлектрика с ионными кристаллическими решетками - смещение подрешетки положительных ионов вдоль поля, а отрицательных ионов против поля приводит к возникновению дипольных моментов.

 

Электрическая емкость

 

Рассмотрим уединенный проводник – проводник, удаленный от других тел и зарядов. Из опыта следует, что разные проводники, будучи одинаково заряженными, имеют разные потенциалы.

Физическая величина C, равная отношению заряда проводника q к его потенциалу φ, называется электрической емкостью этого проводника.C = q/ φ. Электроемкость уединенного проводника численно равна заряду, который нужно сообщить этому проводнику для того, чтобы изменить его потенциал на единицу. Она зависит от формы и размеров проводника и от диэлектрических свойств окружающей среды. Емкости геометрически подобных проводников пропорциональны их линейным размерам.

Единица электроемкости – фарад (Ф): 1Ф - емкость такого уединенного проводника, потенциал которого изменяется на 1В при сообщении ему заряда 1Кл. Емкостью 1Ф обладает шар с радиусом R = 9 - 10⁶км. Емкость Земли 0,7мФ.

 

Вопросы для самоконтроля:

1) Электрический заряд?

2) Свойства электрического заряда?

3) Понятие диэлектрической проницаемости среды?

4) Что такое электростатическое поле?

5) Какими величинами описывается электростатическое поле?

6) Поток вектора напряженности?

7) Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме?

8) Какие заряды называются индуцированными?

9) Дать формулировку электростатической индукцией?

10) Сколько видов поляризации вы знаете, назовите их?

11) Уединенный проводник?

 

Список литературы

Основная

1. Пронин, В.П. Краткий курс физики / В. П. Пронин. – Саратов: ФГОУ ВПО «СаратовскийГАУ», 2007 г. – 200 с.

 

Дополнительная

1. Грабовский, Р.И. Курс физики. 6-е изд. / Р. И. Грабовский. – СПБ.: Издательство «Лань», 2002. – 608 с

 

Лекция 10