Проводники и диэлектрики в электрическом поле.

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования

Кемеровский профессионально-технический техникум

Проводники и диэлектрики в электрическом поле.

Подготовил: студент

Удод Даниил

Под руководством: преподавателя физики

Барсукова Юлия Николаевна

г. Кемерово 2015 г.

Взаимодействие электрических зарядов объясняется тем, что вокруг каждого заряда существует электрическое поле. Электрическое поле заряда – это материальный объект, оно непрерывно в пространстве и способно действовать на другие электрические заряды. Электрическое поле неподвижных зарядов называется электростатическим. Электростатическое поле создается только электрическими зарядами, существует в пространстве, окружающем эти заряды и неразрывно с ними связано.

ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Проводниками называются тела, способные пропускать через себя электрические заряды. Это свойство проводников объясняется наличием в них свободных носителей заряда. Примерами проводников могут быть металлы и растворы электролитов.

При внесении в электрическое поле проводника свободные заряды в нем приходят в движение. Перераспределение зарядов вызывает изменение электрического поля. Движение зарядов прекращается только тогда, когда напряженность электрического поля внутри проводника становится равной нулю. Явление разделения разноименных зарядов в проводнике, помещенном в электрическое поле, называется электростатической индукцией.

Свободные заряды перестают перемещаться вдоль поверхности проводящего тела при достижении такого распределения, при котором вектор напряженности электрического поля в любой точке перпендикулярен поверхности тела. Поэтому в электрическом поле поверхность проводника любой формы является эквипотенциальной поверхностью.

Напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю, т.е. поле внутри проводника отсутствует. Это используется в технике: для экранирования электроизмерительных приборов от влияния внешних электрических полей их заключают в проводящие корпуса. Весь статический заряд проводника распределен по его поверхности. Но заряд, сообщенный проводнику, распределится по его поверхности неравномерно. Заряды скапливаются на выступах или остриях. Чем больше кривизна поверхности, тем больше поверхностная плотность заряда. Поверхностной плотностью заряда называется физическая величина, равная отношению заряда к площади, по которой он распределен:

.

ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Диэлектриками называются вещества, которые не могут проводить через себя электрические заряды. Это объясняется отсутствием в них свободных зарядов. Тела, изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами. Если диэлектрик внести в электрическое поле, то перераспределения зарядов не произойдет, т. к. в диэлектрике нет свободных носителей заряда. Оба конца диэлектрика будут нейтральны. Притяжение незаряженного тела из диэлектрика к заряженному телу объясняется тем, что в электрическом поле происходит поляризация диэлектрика, т. е. смещение в противоположные стороны разноименных связанных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества.

ПОЛЯРНЫЕ И НЕПОЛЯРНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

К неполярным относятся диэлектрики, в атомах или молекулах которых центр отрицательно заряженного электронного облака совпадает с центром положительного атомного ядра. Например, инертные газы, кислород, водород, бензол. Полярные диэлектрики состоят из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Например, спирты, вода. Их молекулы можно рассматривать как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Такую в целом нейтральную систему называют электрическим диполем.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ПОЛЯРНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

При отсутствии электрического поля тепловое движение приводит к беспорядочной ориентации диполей, а в электрическом поле происходит преимущественная ориентация диполей в направлении электрического поля.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ НЕПОЛЯРНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

При отсутствии электрического поля электронное облако расположено симметрично относительно атомного ядра, а в электрическом поле оно изменяет свою форму, и центр отрицательно заряженного электронного облака уже не совпадает с центром положительного атомного ядра.

В результате поляризации на поверхности вещества появляются связанные заряды, которые обуславливают взаимодействие нейтральных тел из диэлектрика с заряженными телами. Напряженность поля, создаваемого связанными зарядами на поверхности диэлектрика, направлена внутри диэлектрика противоположно напряженности внешнего электрического поля, вызывающего поляризацию. Напряженность электрического поля внутри диэлектрика оказывается равной или, с учетом направлений полей, , где - напряженность внешнего электрического поля, - напряженность поля, создаваемого связанными зарядами. Таким образом, видно, что напряженность поля внутри диэлектрика меньше, чем напряженность поля в вакууме.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ

Диэлектрическая проницаемость вещества – это физическая величина, равная отношению модуля напряженности электрического поля в вакууме к напряженности электрического поля в однородном диэлектрике:

.

Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз диэлектрик ослабляет электрическое поле по сравнению с полем в вакууме. Это табличная величина. Она зависит от свойств вещества (например, от агрегатного состояния и температуры).

Справедливости ради стоит заметить, что деление веществ на проводники и диэлектрики условно, поскольку в любом диэлектрике есть свободные заряженные частицы. Но чем меньше свободных зарядов, тем «качественнее» диэлектрик, т.е. тем хуже он проводит электрический заряд.

Конденсаторы. Простейшие способы разделения разноименных электрических зарядов — электризация при соприкосновении, электростатическая индукция — позволяют получить на поверхности тел лишь сравнительно небольшое число свободных электрических зарядов. Для накопления значительных количеств разноименных электрических зарядов применяются конденсаторы.
   Конденсатор — это система из двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Так, например, две плоские металлические пластины, расположенные параллельно и разделенные слоем диэлектрика, образуют плоский конденсатор.
   Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность электрического поля между пластинами будет в два раза больше, чем напряженность поля у одной пластины. Вне пластин напряженность электрического поля равна нулю, так как равные заряды разного знака на двух пластинах создают вне пластин электрические поля, напряженности которых равны по модулю, но противоположны по направлению (рис. 145).

Электрическая емкость конденсатора. Физическая величина, определяемая отношением заряда q одной из пластин конденсатора к напряжению между обкладками конденсатора, называется электроемкостью конденсатора:

. (1)

Единица электроемкости. Единица электроемкости в международной системе — фарад (Ф). Электроемкостью 1 Ф обладает такой конденсатор, напряжение между обкладками которого равно 1 В при сообщении обкладкам разноименных зарядов по 1 Кл..
   В практике широко используются дольные единицы электроемкости — микрофарад (мкФ), нанофарад (нФ) и пикофарад (пФ):

1 мкФ = 10^-6 Ф; 1 нФ = 10^-9 Ф; 1 пФ = 10^-12 Ф.

Электроемкость плоского конденсатора. Напряженность  поля между двумя пластинами плоского конденсатора равна сумме напряженностей полей, создаваемых каждой из пластин:

.

Если на пластинах площадью S находятся электрические заряды + q и - q, то для модуля напряженности поля между пластинами можем записать

. (2)

Для однородного электрического поля связь между напряженностью  и напряжением U дается выражением , где d — в данном случае расстояние между пластинами, U — напряжение на конденсаторе.
   Из выражений (1), (2) получаем

. (3)

Электроемкость конденсатора прямо пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между обкладками.
   При введении диэлектрика между обкладками конденсатора его электроемкость увеличивается в  раз:

. (4)

Устройство и типы конденсаторов. Выражение (3) показывает, что электроемкость конденсатора можно увеличить путем увеличения площади S его пластин, уменьшения расстояния d между ними и применения диэлектриков с большими значениями диэлектрической проницаемости .
Наряду с конденсаторами постоянной электроемкости в практике применяются конденсаторы переменной электроемкости. Электроемкость конденсатора обычно регулируется изменением взаимного положения его пластин. При увеличении площади пластин, находящихся друг против друга, электроемкость конденсатора увеличивается, при уменьшении — уменьшается.

В зависимости от формы обкладок, конденсаторы бывают плоскими, сферическими и цилиндрическими. Формулы для расчета емкостей этих конденсаторов приведены в таблице.

На практике конденсаторы часто соединяют в батареи - последовательно или параллельно.

При параллельном соединении напряжение на всех обкладках одинаковое 
U₁ = U₂ = U₃ = U = e, а емкость батареи равняется сумме емкостей отдельных конденсаторов C = C₁ + C₂ + C₃.

 При последовательном соединении заряд на обкладках всех конденсаторов одинаков Q₁ = Q₂ = Q₃, а напряжение батареи равняется сумме напряжений отдельных конденсаторов U = U₁ + U₂ + U₃.

Емкость всей системы последовательно соединенных конденсаторов рассчитывается из соотношения:

1/C = U/Q = 1/C₁ + 1/C₂ + 1/C₃.

Емкость батареи последовательно соединенных конденсаторов всегда меньше, чем емкость каждого из этих конденсаторов в отдельности.

Энергия заряженного конденсатора. Зарядим конденсатор и затем подключим к его выводам электрическую лампу (рис. 147). При подключении лампы наблюдается кратковременная вспышка света. Из этого опыта следует, что заряженный конденсатор обладает энергией.

Если на обкладках конденсатора электроемкостью C находятся электрические заряды + q и - q, то согласно формуле (1) напряжение между обкладками конденсатора равно

. (5)

В процессе разрядки конденсатора напряжение между его обкладками убывает прямо пропорционально заряду q от первоначального значения U до 0.
Среднее значение напряжения в процессе разрядки равно

. (6)

Для работы А, совершаемой электрическим полем при разрядке конденсатора, будем иметь:

. (7)

Следовательно, потенциальная энергия W_p конденсатора электроемкостью C, заряженного до напряжения U, равна

. (8)

Энергия конденсатора обусловлена тем, что электрическое поле между его обкладками обладает энергией. Напряженность E поля пропорциональна напряжению U, поэтому энергия электрического поля пропорциональна квадрату его напряженности.

Применение конденсаторов. Конденсаторы как накопители электрических зарядов и энергии электрического поля широко применяются в различных радиоэлектронных приборах и электротехнических устройствах. Они используются для сглаживания пульсаций в выпрямителях переменного тока, для разделения постоянной и переменной составляющих тока, в электрических колебательных контурах радиопередатчиков и радиоприемников, для накопления больших запасов электрической энергии при проведении физических экспериментов в области лазерной техники и управляемого термоядерного синтеза.