Диэлектрики в электрическом поле. Поляризация диэлектриков. Проводники в электрическом поле

Диэлектрики в электрическом поле. Поляризация диэлектриков.

Проводники в электрическом поле.

Проводники и диэлектрики

Изучая молекулярную физику, мы познакомились с основами строения вещества. Напомню, все вещества состоят из атомов. Атомы в свою очередь состоят из ядра (заряженного положительно) и электронов (заряженных отрицательно). Атомы и молекулы электрически нейтральны. Причиной этому является то, что заряд ядра равен суммарному заряду электронов, окружающих его.

Но при наличии некоторых внешних факторов (например, повышения температуры, появления электрического поля и т.д.) атом может потерять электрон. В таком случае его заряд станет положительным. И такой атом будет называться положительно заряженным ионом.

Ну а что же тогда происходит с электроном, после «отсоединения» от атома? Он может присоединиться к другим атомам или ионам. Когда такой процесс происходит постоянно, электрон может свободно перемещаться по веществу, даже если оно находится в твёрдой фазе, отсоединяясь от одних атомов и присоединяясь к другим. Такие электроны называют свободными электронами, то есть они не привязаны к конкретному атому.

Электроны и ионы вместе называют носителями заряда. Количество свободных электронов и ионов в единице объёма называется концентрацией заряженных частиц.

Электрическое поле действует на заряженные частицы с некоторой силой. Таким образом, свободные электроны под действием этой силы начинают перемещаться.

Поговорим о способности вещества проводить электрический ток. Логично, что она зависит от количества (или от концентрации) свободных носителей заряда.

Так вот. Если концентрация свободных носителей заряда выше, чем , то считается, что такое вещество может проводить электрический ток. Такие вещества называются проводниками.

Если концентрация свободных носителей заряда в веществе составляет  или менее, то считается, что оно не может проводить электрический ток. Такие вещества называются диэлектриками.

Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Если мы посмотрим по таблице Менделеева, то увидим, что из 105 элементов неметаллами являются лишь 25. Правда, помимо элементарных веществ, существуют тысячи видов различных химических соединений, которые могут проявлять свойства как проводников, так и диэлектриков.

Влияние электрического поля на проводники и на диэлектрики. Поляризация диэлектриков.

Наличие в проводниках свободных электронов приводит к тому, что даже при наличии внешнего электрического поля внутри проводника напряжённость поля будет равна нулю. Давайте разберемся, почему это так. Для примера возьмём твердое тело – проводящую пластину – и поместим её в однородное электрическое поле.

В первый момент, после внесения пластины в поле, возникнет электрический ток. Свободные носители заряда под действием силы со стороны внешнего электрического поля начнут движение и переместятся в соответствующую сторону проводника. Таким образом, один край пластины окажется заряженным положительно, другой – отрицательно.

Если бы мы разделили пластину на две части в момент, когда она находится в электрическом поле, то обе половинки окажутся заряженными. Одна – положительно, другая – отрицательно. Эти области скопления зарядов создают своё электрическое поле, которое будет направлено в противоположную от внешнего сторону и будет стремиться скомпенсировать его. Движение носителей заряда прекратится лишь в тот момент, когда внутреннее и внешнее поле станут равны по модулю напряжённости. То есть суммарное поле внутри проводника станет равно нулю.

Таким образом, внутри проводников электрическое поле отсутствует. На этом факте основана электростатическая защита. Приборы, которые необходимо защитить от электрического поля, помещают в специальные металлические ящики.

Итак, с поведением проводников, попадающих в электрическое поле, мы разобрались. Теперь поговорим о диэлектриках.

В отличие от проводников, в диэлектриках носители заряда плотно связаны друг с другом и находятся в составе электрически нейтральных атомов. А значит, под действием электрического поля они не могут перемещаться по диэлектрику. Однако это не значит, что электрическое поле не окажет вовсе никакого воздействия. Для того чтобы понять, какое влияние окажет электрическое поле на помещённый в него диэлектрик, необходимо понять некоторые особенности строения таких тел.

Рассмотрим два примера. Первый – простейший атом водорода.

Он состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженного электрона, который вращается вокруг него. Так как период оборота электрона вокруг ядра составляет примерно , то есть очень мал, это даёт основание полагать, что в среднем по времени центр распределения отрицательного заряда приходится на середину атома, то есть совпадает с положительным.

Второй пример – молекула поваренной соли NaCl. Атом натрия содержит лишь один валентный электрон, слабо связанный с ядром, а у атома хлора семь валентных электронов. Таким образом, при образовании молекулы атом хлора забирает электрон у атома натрия и образуется система из двух ионов – положительного и отрицательного.

В отличие от случая с атомом водорода, такая система имеет иное распределение зарядов. Положительный и отрицательный заряды распределены симметрично по объёму молекулы. На большом расстоянии такую молекулу можно приближенно рассматривать как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Такую систему называют электрическим диполем.

Диэлектрики, состоящие из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают, называются полярными. У которых совпадают – неполярными.

Итак, полярный диэлектрик состоит из молекул, которые можно рассматривать как диполи. В отсутствие электрического поля тепловое движение приводит к беспорядочной ориентации диполей в пространстве.

Но если поместить такой диэлектрик в электрическое поле, то на каждый диполь будут действовать две противоположные по модулю силы. Они будут стремиться повернуть его так, чтобы его ось была направлена вдоль линий напряжённости электрического поля. При этом положительные заряды повернутся в сторону поля, а отрицательные – в противоположную. Стоит понимать, что тепловое движение будет препятствовать такому смещению, и поэтому лишь часть диполей в итоге переориентируется. Но эта часть будет большей частью.

В сторону диэлектрика, соответствующую положительному направлению вектора напряжённости внешнего поля, будут направлены в основном положительные заряды диполей, в противоположную – отрицательные.

Такой процесс называют поляризацией.

Неполярный диэлектрик в электрическом поле тоже поляризуется. Под действием поля положительные и отрицательные заряды его молекулы будут смещаться в противоположные стороны. Центры распределения положительных и отрицательных зарядов в итоге перестанут совпадать. Такие деформированные молекулы можно рассматривать как диполи. А значит, к ним применимо всё то, что и к полярным диэлектрикам.

В результате поляризации возникает поле, создаваемое связанными зарядами. Оно направлено в сторону, противоположную направлению внешнего поля. Конечно, по модулю оно меньше, чем поле, возникающее в проводниках, и не способно компенсировать внешнее. Но оно способно ослабить действие внешнего электрического поля внутри диэлектрика. А значит, поле внутри диэлектрика существует, и его напряжённость будет равна разности напряжённости внешнего поля и поля, создаваемого связанными зарядами: .

Скачано с www.znanio.ru