Проводники и диэлектрики в электрическом поле

24 № Сабақ / Урок № 24

Сабақ жоспары / План урока

Сабақтың тақырыбы / Тема урока

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Проводники в электрическом поле

Электрическое поле может существовать не только в пустоте, но и внутри веществ. Условно такие вещества разделяют на проводники и диэлектрики (изоляторы).

Проводниками называют вещества, в которых имеются заряженные частицы, способные перемещаться под влиянием электрического поля. Заряды этих частиц называют свободными зарядами.

В металлических проводниках носителями свободных зарядов являются электроны. Нейтральные атомы металла взаимодействуют друг с другом, в результате этого взаимодействия электроны внешних оболочек атомов утрачивают связи со своими атомами и становятся общими для проводника в целом. Таким образом, проводник можно представить в виде положительно заряженных ионов, окруженных отрицательно заряженным «газом», состоящим из общих электронов.

Электростатическая индукция – это явление перераспределения зарядов в проводнике, внесенном в электростатическое поле. При внесении в однородное поле незаряженной пластины (проводника) за ничтожно короткое время свободные заряды перераспределятся так, что напряженность результирующего поля внутри пластины становится равной нулю и движение зарядов прекращается. Таким образом, внутри проводника электростатического поля нет. На этом основана электростатическая защита: чувствительные приборы помещают в металлический корпус или сетку, тогда никакие внешние поля не могут на них влиять.

Внутри проводника при равновесии зарядов равна нулю не только напряженность поля, но и заряд, т.к. весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности. Силовые линии электрического поля или линии напряженности перпендикулярны поверхности проводника.

Поле шара (Рисунок 1). В заряженном проводящем шаре радиуса R заряд q равномерно распределен по поверхности. Силовые линии электрического поля направлены вдоль продолжений радиусов шара. Внутри проводящего шара напряженность электрического поля равна нулю.

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 нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды (Рисунок 2). Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.

Индукционные заряды создают свое собственное поле которое компенсирует внешнее поле во всем объеме проводника: (внутри 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 (Рисунок 3).

Так как поверхность проводника является эквипотенциальной, силовые линии у поверхности должны быть перпендикулярны к ней.

Электростатическое поле бесконечной проводящей пластины показано на Рисунке 4.

Как видно из левой части Рисунка 4 - если мы имеем одну пластину заряженную в нашем случае положительно, то силовые линии – линии напряженности «выходят» из неё.

В правой части Рисунка 4 имеется две заряженные пластины, заряжены они разноименно. Каждая из пластин создает вокруг себя электростатическое поле, причем у отрицаткльной пластины линии «входят» в нее, а из положительной они «выходят», но так как плоскости расположены близко то силовые линии обоих пластин пронизывают друг друга. В результате чего результируюшее поле вне пластин будет равно нулю, а поле между пластин усилится в 2 раза.

Рисунок 4 - Поле, образованное бесконечной проводящей пластиной

Для поля, образованного бесконечной проводящей пластиной напряженность найдется по формуле:

Диэлектрики в электрическом поле

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.

Диэлектриками (или изоляторами) называются вещества, не проводящие электрического тока.

У изолятора или диэлектрика свободных электрических зарядов нет, а есть диполи (совокупность двух точечных зарядов равных по модулю и противоположных по знаку); электроны и ядра в нейтральных атомах связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему телу (Рисунок 5, а).

Рисунок 5 – Диэлектрик: а) без поля, б) во внешнем электростатическом поле

При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле  в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул.

В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные нескомпенсированные связанные заряды (Рисунок 5, б) .

Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.

Связанные заряды создают электрическое поле  которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности внешнего поля. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика. В результате полное электрическое поле внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше внешнего поля .

Различают два вида диэлектриков

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.

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 возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле  направленное навстречу внешнему полю  (Рисунок 6).

Рисунок 6 - Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика

Связанный заряд на поверхностях диэлектрика создает в нем собственное электрическое поле напряженностью , которая направлена против напряженности внешнего поля . Поэтому результирующее поле внутри диэлектрика ослабляется. Степень ослабления зависит от свойств диэлектрика.

Диэлектрическая проницаемость среды

Диэлектрическая проницаемость среды – это физическая величина, показывающая, во сколько раз модуль напряженности электрического поля внутри однородного диэлектрика меньше модуля напряженности поля в вакууме:

Домашнее задание

·           Прочесть «Физика 10 класс. 2 часть» Б.Кронгарт, Д.Казахбаева, О.Иманбеков,  Т.Қыстаубаев - Мектеп. 2019, с. 37-45.

·           Составить опорный конспект – формулы и рисунки обязательно.

·           Написать реферат на одну из предложенных тем (в рабочей тетради! Не более одной страницы тетради) сфотографировать, поместить в ворд и прикрепить на портал.

ТЕМЫ РЕФЕРАТОВ:

1.      Применение проводников в быту

2.      Применение проводников в технике и промышленности

3.      Электростатическая защита в жизни человека

4.      Применение диэлектриков в быту

5.      Применение диэлектриков в технике и промышленности

6.      Прямой пьезоэлектрический эффект и его использование

7.      Обратный пьезоэлектрический эффект и его использование 

8.      Пьезоэлектрические свойства горных пород

9.      Скачано с www.znanio.ru