Проводники и диэлектрики в электростатическом поле

Свободные заряды

В металлах носителями свободных зарядов являются электроны. При образовании металла его нейтральные атомы начинают взаимодействовать друг с другом. Благодаря этому взаимодействию электроны внешних оболочек атомов полностью утрачивают связи со своими атомами и становятся «собственностью» всего проводника в целом. В результате образовавшиеся положительно заряженные ионы оказываются окруженными отрицательно заряженным «газом», образованным коллективизированными электронами. Эти свободные электроны участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по металлу в любом направлении.

Проводником называются такие материалы, в которых имеются свободные носители электрических зарядов.

 Электростатическое поле внутри проводника.

Наличие в проводнике свободных зарядов приводит к тому, что даже при наличии внешнего электрического поля внутри проводника напряженность поля равна нулю. Если бы напряженность электрического поля была отлична от нуля, то поле приводило бы свободные заряды в упорядоченное движение, т. е. в проводнике существовал бы электрический ток. Утверждение об отсутствии электростатического поля внутри проводника справедливо как для заряженного проводника, так и для незаряженного, помещенного во внешнее электростатическое поле.

Докажем это. Как нам уже известно, проводник представляет собой тело, которое содержит большое число свободных электронов, заряды которых компенсируются положительными зарядами ядер атомов. Если металлический проводник поместить в электрическое поле, то под влиянием сил поля свободные электроны проводника придут в движение в сторону, противоположную направлению сил поля. В результате этого на одной стороне проводника возникает избыточный отрицательный заряд, а на другой стороне проводника — избыточный положительный заряд.

Разделение зарядов в проводнике под влиянием внешнего электрического поля называется электризацией через влияние, или электростатической индукцией, а заряды на проводнике — индуцированными зарядами.

Индуцированные заряды проводника создают добавочное электрическое поле, направление которого противоположно внешнему полю.

Результирующее электрическое поле внутри проводника уменьшается, а вместе с ним уменьшаются силы, действующие на перераспределение зарядов. Движение зарядов в проводнике прекратится, когда напряженность поля, вызванного индуцированными зарядами проводника Е^I, станет равной напряженности внешнего поля Е₀, а результирующая напряженность поля внутри проводника будет равна нулю.

Итак, электростатического поля внутри проводника нет. На этом факте основана электростатическая защита. Чтобы защитить чувствительные к электрическому полю приборы, их помещают в металлические ящики.

Силовые линии электростатического поля вне проводника в непосредственной близости к его поверхности пер­пендикулярны поверхности.

Электрический заряд проводников.

 Внутри проводника при равновесии зарядов не только напряженность поля равна нулю, равен нулю и заряд. Весь статический заряд проводника сосре­доточен на его поверхности. В самом деле, если бы внутри проводника имелся заряд, то вблизи заряда имелось бы и поле. Но электростатического поля внутри проводника нет. Следовательно, заряды в проводнике могут располагаться только на его поверхности. Этот вывод справедлив как для незаряженных проводников в электрическом поле, так и для заряженных.

При равновесии зарядов электрическое поле и электрический заряд внутри проводника равны нулю. Весь заряд сосредоточен на поверхности проводника, а линии напряженности электрического поля в любой точке поверхности проводника перпендикулярны этой поверхности.

Диэлектрик в электрическом поле.

Диэлектрик отличается от проводника отсутствием свободных электронов (точнее, весьма малым количеством свободных электронов). Электроны атомов диэлектрика прочно связаны с ядром атома.

Диэлектрик, внесенный в электрическое поле, так же как и проводник, электризуется через влияние. Однако между электризацией проводника и диэлектрика имеется существенная разница. Если в проводнике под влиянием сил электрического поля свободные электроны передвигаются по всему объему проводника, то в диэлектрике свободного перемещения электрических зарядов произойти не может. Но в пределах каждой молекулы диэлектрика возникает смещение положительного заряда вдоль направления электрического поля и отрицательного заряда в обратном направлении. В результате на поверхности диэлектрика возникнут электрические заряды.

Рассматриваемое    явление    называется  поляризацией диэлектрика.

Различают диэлектрики двух классов: полярные и неполярные. У диэлектриков первого класса молекула в нейтральном состоянии имеет положительный и отрицательный заряды, настолько близко расположенные один к другому, что действие их взаимно компенсируется. Под влиянием электрического поля положительные и отрицательные заряды в пределах молекулы несколько смещаются один относительно другого, образуя диполь.

У диэлектриков второго класса молекулы и в отсутствие электрического поля образуют диполи. Такие диэлектрики называются полярными.

К ним относятся вода, аммиак, эфир, ацетон и т. д. У таких диэлектриков при отсутствии электрического поля диполи в пространстве расположены хаотически, и вследствие этого результирующее электрическое поле вокруг полярного диэлектрика равно нулю. Под действием внешнего электрического поля молекулы (а стало быть, и диполи) стремятся повернуться так, чтобы их оси совпали с направлением внешнего поля. С устранением электрического поля поляризация диэлектрика исчезает. Таким образом, поляризация представляет собой упругое смещение электрических зарядов в веществе диэлектрика.

При некоторой определенной величине напряженности электрического поля смещение зарядов достигает предельной величины, после чего происходит разрушение — пробой диэлектрика, в результате которого диэлектрик теряет свои изолирующие свойства и становится токопроводящим.

Напряженность электрического поля,  при которой наступает пробой диэлектрика,  называется пробивной напряженностью ξпр. Напряженность поля, допускаемая при работе  диэлектрика ξдоп, должна быть меньше пробивной напряженности. Отношение

называется запасом прочности.

Приведем значения пробивной напряженности (в кв/мм) для некоторых диэлектриков:

Воздух     ......................... 3             Электрокартон............ 9—14

Мрамор    ....................... 3—4        Стекло.............................. 10—40

Фарфор    ....................... 6—7,5     Слюда.............................. 80—200

Диэлектрическая проницаемость вещества

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

Вопросы:

1. Какое из перечисленных веществ лишнее?

-Железо

- Резина

- Дерево

- Шёлк

2. Диэлектрик поместили в электростатическое поле, а затем разрезали на две части. Полученные половинки оказались…

- Разноименно заряженными

- Одноименно заряженными

- Нейтральными

- Однозначно ответить нельзя

3. Какое явление называется поляризацией диэлектрика?

- Разделение разноименных зарядов в электрическом поле

- Процесс передачи диэлектрику заряда

- Смещение относительно друг друга связанных зарядов в молекуле под действием электрического поля

- Распад молекул на ионы

4. Напряженность электростатического поля в вакууме 20 кН/Кл. Какова напряженность этого поля в керосине, если его диэлектрическая проницаемость равна 2?

- 1000 Н/Кл               

- 10000 Н/Кл

- 20000 Н/Кл

- 40000 Н/Кл

Примеры решения задач:

Задача 1. На расстоянии 3 см от заряда 4 нКл, находящегося в жидком диэлектрике, напряженность поля равна 20 кВ/м. Какова диэлектрическая проницаемость диэлектрика?

Задача 2. Очень маленький заряженный шарик погрузили в керосин. На каком расстоянии от шарика напряженность поля будет такая же, какая была до погружения на расстоянии 29 см?

Задачи для самостоятельного решения:

1. Металлическому шару радиусом 3 см сообщили заряд 16 нКл. Найти поверхностную плотность заряда и напряженность поля в точках, удаленных от центра шара на 2 и 4 см.

2. На расстоянии 5 см от заряда 9 нКл, находящегося в жидком диэлектрике, напряженность поля равна 40 кВ/м. Какова диэлектрическая проницаемость диэлектрика?

3. Очень маленький заряженный шарик погрузили в керосин. На каком расстоянии от шарика напряженность поля будет такая же, какая была до погружения на расстоянии 50 см?

Домашнее задание:

Контрольные вопросы:

1. Чем отличаются диэлектрики от проводников?

2. Какие диэлектрики называют полярными, а какие — неполярными?

3. Что называют поляризацией диэлектрика?

4. Как диэлектрик влияет на электрическое поле?

Задача:

Найти значение каждого из двух одинаковых зарядов, если в масле на расстоянии 6 см друг от друга они взаимодействуют с силой 0,4 мН.