Электрическое поле

20.Свойства диэлектриков в электростатическом поле

Св-ва диэлектриков
проще всего описать,используя модель
диполя-систему 2ух разноименных зарядов,
находящихся на небольшом расстоянии
друг от друга.Под действием внешнего
эл поля диполи в в-ве поворачиваются,если
они уже существовали,или образуются
новые диполи.В рез-те под действием
внешнего эл поля диполи выстраиваются
так,что образуют структуру,эл поле кот
направлено против внешнего эл поля.На
рисунке показано такое выстраивание
диполей в плоской пластине,где внутри
пластины заряды диполей компенсируются,а
на ее 2ух поверхностях образуются заряды
противоположных знаков. Такое явление
называется поляризациейдиэлектрика(явление
возникновения на противоп.сторонах
диалектрика связанных зарядов
противоположного знака при внесении
диалектрика во внешнее электрическое
поле..

Физическая величина,
которая показывает, во сколько раз
электрическое поле внутри диэлектрика
меньше, чем электрическое поле в
вакууме(если граница диалектрика
перпендикулярна внешнему электрич.полю)
при прочих равных условиях (то есть при
неизменной системе свободных зарядов,
задающих внешнее электрическое поле),
получила название диэлектрической
проницаемости диэлектрика.

Что такое проводник

Вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов, называют проводником. Движение свободных носителей называют тепловым. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) – величина обратная сопротивлению.

G=1/R

Говоря простыми словами – проводник проводит ток.

К таким веществам можно отнести металлы, но если говорить о неметаллах то, например, углерод – отличный проводник, нашел применение в скользящих контактах, например, щетки электродвигателя. Влажная почва, растворы солей и кислот в воде, тело человека – тоже проводит ток, но их электропроводность зачастую меньше, чем у меди или алюминия, например.

Металлы являются отличными проводниками, как раз таки благодаря большому числу свободных носителей зарядов в их структуре. Под воздействием электрического поля заряды начинают перемещаться, а также перераспределяться, наблюдается явление электростатической индукции.

Что такое проводники и диэлектрики

Проводники это вещества, имеющие в своей структуре массу свободных электрических зарядов, способных перемещаться под воздействием внешней силы по всему объёму материала.

К группе проводников в электростатическом поле относят металлы и их соединения, некоторые виды электротехнического угля, растворы солей (кислот, щелочей), ионизированные газы.

Лучшим проводящим материалом считается металл, например, золото, платина, медь, алюминий. К неметаллическим веществам, проводящим ток, относится углерод.

Проводник

Диэлектрики – вещества, противоположные по своим свойствам проводникам. При отсутствии нагревания заряженные частицы в нейтральном атоме тесно взаимосвязаны и не могут осуществлять движения в объеме материала. В связи с этим электрический ток в непроводнике протекать не может.

Диэлектрик

К материалам, непроводящим электрический ток, относят: керамику, резину, бумагу, стекло, фарфор, смолу, сухую древесину. Лучшим диэлектриком считается газ. Качества диэлектриков зависят от температуры и влажности среды, в которой они находятся.

Проводники и диэлектрики активно используют в электротехнической области. Пример – материалом, из которого производят провода (кабели), служат проводники, изготовленные из металла. Изолирующие оболочки для них производят из диэлектриков – полимеров.

Свойства материалов

Лучшими считаются проводники, сырьем для производства которых послужило серебро, золото или платина. Повсеместное их использование ограничивается только большой стоимостью материала. Такие изделия нашли применение в оборонной и космической промышленности

В этих сферах важно обеспечение самого высокого качества оборудования, независимо от его стоимости

Гораздо шире область применения медных и алюминиевых материалов. Невысокая стоимость и отличные проводящие качества позволили использовать их во многих отраслях хозяйствования.

В диэлектриках повышение температуры может приводить к возникновению свободных электрических зарядов. Это электроны, оторвавшиеся от ядра из-за температурных колебаний. Обычно это небольшое количество свободных зарядов. Но существуют изоляторы, в которых это число достигает существенных размеров. В этом случае изоляционные качества диэлектрика ухудшаются.

Обратите внимание! Надежным считается диэлектрик, если возникающий в нём небольшой ток утечки не мешает работе всей системы. Лучшим диэлектриком считается абсолютный вакуум, а также полностью очищенная вода

Но таковых в природе не найти, а создать их искусственным путём очень сложно. Включение в жидкость любой примеси обеспечивает ей проводящие качества

Лучшим диэлектриком считается абсолютный вакуум, а также полностью очищенная вода. Но таковых в природе не найти, а создать их искусственным путём очень сложно. Включение в жидкость любой примеси обеспечивает ей проводящие качества.

Взаимодействие зарядов. Два вида зарядов

Электрический заряд – скалярная физическая величина, характеризующая способность тела участвовать в электромагнитных взаимодействиях.

Обозначение – ​\( q \)​, единица измерения в СИ – кулон (Кл).

Существуют два вида электрических зарядов: положительный и отрицательный. Наименьший отрицательный заряд имеет электрон (–1,6·10-19 Кл), наименьший положительный заряд (1,6·10-19 Кл) – протон. Минимальный заряд, который может быть сообщен телу, равен заряду электрона (элементарный заряд). Если тело имеет избыточные (лишние) электроны, то тело заряжено отрицательно, если у тела недостаток электронов, то тело заряжено положительно.

Величина заряда тела будет равна

где ​\( N \)​ — число избыточных или недостающих электронов;
​\( e \)​ — элементарный заряд, равный 1,6·10-19 Кл.

Важно!
Частица может не иметь заряда, но заряд без частицы не существует. Электрические заряды взаимодействуют:

Электрические заряды взаимодействуют:

заряды одного знака отталкиваются:

заряды противоположных знаков притягиваются:

Прибор для обнаружения электрического заряда называется электроскоп. Основная часть прибора – металлический стержень, на котором закреплены два листочка металлической фольги, помещенные в стеклянный сосуд. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электроскопа заряды распределяются между листочками фольги. Так как заряд листочков одинаков по знаку, они отталкиваются.

Для измерения зарядов можно использовать и электрометр. Основные части его – металлический стержень и стрелка, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. Стержень со стрелкой закреплен в пластмассовой втулке и помещен в металлический корпус, закрытый стеклянными крышками. При соприкосновении заряженного тела со стержнем стержень и стрелка получают электрические заряды одного знака. Стрелка поворачивается на некоторый угол.

Диэлектрическая проницаемость

Таким образом, во всех диэлектриках, помещенных в электростатическое поле, происходит уменьшение напряженности этого поля. Степень ослабления поля зависит от свойств диэлектрика. Для характеристики электрических свойств диэлектриков вводится особая величина, называемая диэлектрической проницаемостью.

Диэлектрическая проницаемость ε — это физическая величина, равная отношению модуля напряженности электрического поля E0 в вакууме к модулю напряженности электростатического поля Ε внутри однородного диэлектрика

\(~\varepsilon = \dfrac{E_0}{E} .\)

Диэлектрическая проницаемость некоторых веществ приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Диэлектрическая проницаемость

Вещество ε Вещество ε
Бензин 2,0 Масло 2,5
Вакуум, воздух 1,0 Парафин 2,0
Вода дистиллированная 81 Резина 4,5
Дерево сухое 2,9 Спирт 26
Капрон 4,3 Стекло 7,0
Керосин 2,1 Фарфор 5,6
Лед 70 Эбонит 3,1

В диэлектриках при расчете кулоновских сил, напряженностей и потенциалов полей необходимо учитывать ослабление электрического поля в ε раз. Например,

\(F=\dfrac{k\cdot \left|q_{1} \right|\cdot \left|q_{2} \right|}{\varepsilon \cdot r^{2} } ,\, \, \, E=\dfrac{k\cdot \left|q\right|}{\varepsilon \cdot r^{2} } ,\, \, \, \varphi =\dfrac{k\cdot q}{\varepsilon \cdot r}.\)

21.Условия сущ.Эл.Тока.Законы Ома,Джоуля-Ленца,Кирхгофа

Электр.ток-упорядоченное(направленное)движение
зваряженных частиц.Для появления и
сущ.эл.тока необходимо наличие:свободных
носителей тока,источника электрич.энергии.Эл
ток наз.постоянным,если
движение носителей тока стационарно(
скорость движенияне изменяется со
временем).За направление
тока
принимают
направление движения положительно
электрически заряженных частиц.В
металлах направление тока противоположно
направлению дрейфв электронов.Закон
Ома для однородного участа цепи:
сила
тока в участке цепи прямо пропорциональна
напряжению на концах этого участка и
обратно пропорциональна его
сопротивлению..Закон
Ома для неоднородного участка цепи.
I=
(
на неоднородном
участке цепи действуют как электрические,
так и сторонние силы.
Закон Ома для полной(замкнутой)цепи(
Сила
тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна
величине электродвижущей силы источника
тока и обратно пропорциональна полному
сопротивлению цепи,равному сумме
сопротивлений внешней и внутренней
цепи:.Короткое
замыкание-
явление,возникающее
при замыкании концов участка цепи
проводником с предельно малым сопротивление
R<<
r.Закон
Ома для полной цепи в данном случае
равно Iк.з.=
.Закон
Джоуля-Ленца:
кол-во
теплоты,выделяемое проводником с
током,равно произведению квадрата силы
тока,сопротивления проводника и времени
QПри решении
задач на правила Кирхгофа
используются
термины:
Узел(
точка,где
сходятся не менее трех проводников).
Ветвь(участок
цепи между двумя узлами).Контур(замкнутый
участок цепи из нескольких последовательных
ветыей).

Первое правило
Кирхгофа.
Алгебраическая
сумма токов,сходящихся в узле,равна
нулю:
.Второе
правило:
в
любом замкнутом контуре сумма падений
напряжения на сопротивлениях равна
алгебраической сумме ЭДС в этом
контуре:(Уравнений
на основе правил Кирхгофа составляется
столько,сколько сопротивлений(резисторов)
в контуре.

Где применяются диэлектрики и проводники

Материалы применяются во всех сферах деятельности человека, где используется электрический ток: в промышленности, сельском хозяйстве, приборостроении, электрических сетях и бытовых электроприборах.

Выбор проводника обусловлен его техническими характеристиками. Наименьшим удельным сопротивлением обладают изделия из серебра, золота, платины. Использование их ограничено космическими и военными целями из-за высокой себестоимости. Медь и алюминий проводят ток несколько хуже, но сравнительная дешевизна привела к их повсеместному применению в качестве проводов и кабельной продукции.

Чистые металлы без примесей лучше проводят ток, но в ряде случаев требуется использовать проводники с высоким удельным сопротивлением — для производства реостатов, электрических печей, электронагревательных приборов. Для этих целей используются сплавы никеля, меди, марганца (манганин, константан). Электропроводность вольфрама и молибдена в 3 раза ниже, чем у меди, но их свойства широко используются в производстве электроламп и радиоприборов.

Твёрдые диэлектрики — материалы, обеспечивающие безопасность и бесперебойную работу токопроводящих элементов. Они используются в качестве электроизоляционного материала, не допуская утечки тока, изолируют проводники между собой, от корпуса прибора, от земли. Примером такого изделия являются диэлектрические перчатки, про которые написано в нашей статье.

Жидкие диэлектрики используют в конденсаторах, силовых кабелях, циркулирующих системах охлаждения турбогенераторов и высоковольтных масляных выключателей. Материалы применяют в качестве заливки и пропитки.

Газообразные изоляционные материалы. Воздух — естественный изолятор, одновременно обеспечивающий отвод тепла. Азот применяется в местах, где недопустимы окислительные процессы. Водород применяется в мощных генераторах с высокой теплоёмкостью.

Слаженная работа проводников и диэлектриков обеспечивает безопасную и стабильную работу оборудования и сетей электроснабжения. Выбор конкретного элемента для поставленной задачи зависит от физических свойств и технических параметров вещества.

Какая проводка лучше — сравнение медной и алюминиевой электропроводки

Что такое нихромовая проволока, её свойства и область применения

Что такое электролиз и где он применяется?

Что такое конденсатор, где применяется и для чего нужен

Как работает транзистор и где используется?

Что такое конденсатор, виды конденсаторов и их применение

Что такое проводники и диэлектрики

Проводники — вещества, со свободными электрическими зарядами, способными направленно перемещаться под воздействием внешнего электрического поля. Такими особенностями обладают:

  • металлы и их расплавы;
  • природный углерод (каменный уголь, графит);
  • электролиты — растворы солей, кислот и щелочей;
  • ионизированный газ (плазма).

Главное свойство материалов: свободные заряды — электроны у твёрдых проводников и ионы у растворов и расплавов, перемещаясь по всему объёму проводника проводят электрический ток. Под воздействием приложенного к проводнику электрического напряжения создаётся ток проводимости. Удельное сопротивление и электропроводимость — основные показатели материала.

Watch this video on YouTube

Свойства диэлектрических материалов противоположны проводникам электричества. Диэлектрики (изоляторы) — состоят из нейтральных атомов и молекул. Они не имеют способности к перемещению заряженных частиц под воздействием электрического поля. Диэлектрики в электрическом поле накапливают на поверхности нескомпенсированные заряды. Они образуют электрическое поле, направленное внутрь изолятора, происходит поляризация диэлектрика.

В результате поляризации, заряды на поверхности диэлектрика стремятся уменьшить электрическое поле. Это свойство электроизоляционных материалов называется диэлектрической проницаемостью диэлектрика.

В соответствии с гост

Полупроводник
– вещество, основным свойством которого
является сильная зависимость его
электропроводности от воздействия
внешних факторов. Прим. к внешним факторам
в данном случае следует отнести
температуру, электрическое поле, свет
и т.д.

Полупроводниковый
материал

– материал, предназначенный для
использования его полупроводниковых
свойств.

Зонная
теория
объясняет полупроводниковые
свойства твердых тел на основе
одноэлектронного приближения и
распределения электронных энергетических
уровней в виде разрешенных и запрещенных
зон. Энергетические уровни электронов,
участвующих в ковалентной связи, образуют
верхнюю из заполненных разрешенных зон
(валентную зону). Следующая по энергии
разрешенная зона, уровни которой не
заполнены электронами, — зона проводимости.
Энергетический интервал между «дном»Ес(минимумом энергии)
зоны проводимости и «потолком»Еу(максимумом) валентной зоны наз. шириной
запрещенной зоны DE(см. рис.). Для
разныхполупроводниковширина
запрещенной зоны меняется в широких
пределах. Так, приT: 0 К DE= 0,165 эВ
в PbSe и 5,6 эВ в алмазе.

Валентная
зона (кружки с плюсом — дырки) и зона
проводимости (кружки с минусом -электроны
проводимости): Eс— дно зоны
проводимости,EVпотолок
валентной зоны, DE — ширина запрещенной
зоны, D иA-донорные и акцепторные
уровни соответственно.

Тепловое
движение переносит часть электронов в
зону проводимости; в валентной зоне при
этом появляются дырки — квантовые
состояния, не занятые электронами.
Обычно электроны занимают уровни,
расположенные вблизи дна Есзоны проводимости, а дырки-уровни,
расположенные вблизи потолкаEVвалентной зоны. Расстояния от этих
уровней соответственно доЕсиЕVпорядка энергии
теплового движенияkТ, т. е. гораздо
меньше ширины разрешенных зон (k-постоянная
Больцмана). Локальные нарушения
идеальности кристалла (примесные атомы,
вакансии и др. дефекты) могут вызвать
образование разрешенных локальных
уровней энергии внутри запрещенной
зоны.

При
температурах вблизи 0 К все собственные
электроны полупроводниканаходятся
в валентной зоне, целиком заполняя ее,
а примесные электроны локализованы
вблизи примесей или дефектов, так что
свободные носители заряда отсутствуют.
С повышением температуры тепловое
движение «выбрасывает» в зону
проводимости преимущественно электроны
примесных атомов-доноров, поскольку
энергия ионизации донора меньше ширины
запрещенной зоны. Концентрация электронов
в зоне проводимости при этом во много
раз больше концентрации дырок в валентной
зоне. В таких условиях электроны
называются основными носителями вполупроводникеn-типа, аналогично
дырки — основными носителями вполупроводникер-типа. После
полной ионизации всех доноров доминирующим
процессом оказывается выброс из валентной
зоны в зону проводимости собственных
электронов. При некоторой температуре
их концентрация в зоне проводимости
становится сравнимой с концентрацией
примесных электронов, а потом и во много
раз большей. Это — температурная область
собственной проводимостиполупроводника,
когда концентрации электроновп и
дырокр практически равны.

Возникновение
пары электрон проводимости — дырка
называется генерацией носителей заряда.
Возможен и обратный процесс — рекомбинация
носителей заряда, приводящая к возвращению
электрона проводимости в валентную
зону и исчезновению дырки. Рекомбинация
носителей может сопровождаться выделением
избыточной энергии в виде излучения,
что лежит в основе полупроводниковых
источников света и лазеров.

Электроны
проводимости и дырки, возникновение
которых явилось следствием тепловых
флуктуации в условиях термодинамического
равновесия, называются равновесными
носителями заряда. При наличии внешнего
воздействия на полупроводники(освещение, облучение быстрыми частицами,
наложение сильного электрического
поля) может происходить генерация
носителей заряда, приводящая к появлению
избыточной (относительно термодинамически
равновесной) их концентрации. При
появлении вполупроводникенеравновесных носителей возрастает
число актов рекомбинации и захвата
электрона из зоны проводимости на
примесный уровень в запрещенной зоне
(«захват» носителей). После прекращения
внешнего воздействия концентрация
носителей приближается к равновесному
значению.

История развития электрического поля

Основными вехами истории развития учения о данном явлении являются следующие открытия:

  • 1773 г. – французский астроном Ж.Л. Лангранж впервые применяет такое понятие, как «потенциал». Примененное относительно небесных тел это понятие в дальнейшем стало широко использоваться в физике.
  • 1785 – Шарль Кулон сформулировал названный позднее его именем закон, описывающий взаимодействие заряженных частиц;
  • 1812 – французский физик С.М. Пуассон применил понятие «потенциал» в описании электрических, электромагнитных процессов и явлений;
  • 1819 – датский физик Х.К. Эрстед опытным путем показал влияние протекающего по проводнику тока на отклонение магнитной стрелки, происходящее под воздействием образующегося вокруг него электрополя;
  • 1827 – Г. Омом сформулирован названный его именем основной закон электротехники, описывающий соотношение основных характеристик протекающего по проводнику электрического тока (напряжения, силы, сопротивления);
  • 1831 – М. Фарадей, ученик известного британского ученого Гемфри Дэви, в своем труде по электромагнетизму описывает взаимодействие двух составляющих электромагнитного поля;
  • 1873 –Д.К. Максвелл издает свой знаменитый фундаментальный труд «Трактат об электричестве и магнетизме», в котором ученый подробно описывает взаимодействие электрического и магнитного полей, приводит уравнения, описывающие их закономерность.

Д.К. Максвелл

Напряженность электрического поля

Недостаточно утверждать, что электрическое поле существует. Надо ввести количественную характеристику поля. После этого электрические поля можно будет сравнивать друг с другом и продолжать изучать их свойства. Электрическое поле обнаруживается по силам, действующим на электрический заряд. Можно утверждать, что мы знаем о поле все, что нужно, если будем знать силу, действующую на любой заряд в любой точке поля. Поэтому надо ввести такую характеристику поля, знание которой позволит определить эту силу.

Для изучения электрического поля будем использовать пробный заряд.

Под пробным зарядом будем понимать положительный точечный заряд, не изменяющий изучаемое электрическое поле.

Пусть электрическое поле создается точечным зарядом q. Если в это поле внести пробный заряд q1, то на него будет действовать сила \(~\vec F\).

Обратите внимание, что в данной теме мы используем два заряда: источник электрического поля q0 и пробный заряд q1. Электрическое поле действует только на пробный заряд q1 и не может действовать на свой источник, т.е

на заряд q0.

Согласно закону Кулона эта сила пропорциональна заряду q1:

\(~ F = k \cdot \dfrac{q_0 \cdot q_1}{r^2}\) .

Поэтому отношение силы, действующей на помещаемый в данную точку поля заряд q1, к этому заряду в любой точке поля:

\( \dfrac{F}{q_1} = k \cdot \dfrac{q_0}{r^2}\) , —

не зависит от помещенного заряда q1 и может рассматриваться как характеристика поля. Эту силовую характеристику поля называют напряженностью электрического поля.

Подобно силе, напряженность поля – векторная величина, ее обозначают буквой \(~\vec E\) .

Напряженность поля равна отношению силы, с которой поле действует на точечный заряд, к этому заряду:

\(~\vec E = \dfrac{\vec F}{q}\) .

Сила, действующая на заряд q со стороны электрического поля, равна\ .

Если в точке А заряд q > 0, то векторы \(~\vec E_A\) и \(~\vec F_A\) направлены в одну и ту же сторону; при q < 0 эти векторы направлены в противоположные стороны.

От знака заряда q, на который действует поле, не зависит направление вектора \(~\vec E_A\), а зависит направление силы \(~\vec F_A\) (рис. 1, а, б).

Рис. 1

В СИ напряженность выражается в ньютонах на кулон (Н/Кл).

Значение напряженности электрического поля, созданного:

  • точечным зарядом q, на расстоянии r от заряда в точке C (рис. 2) равно
    \(~E = k \cdot \dfrac{|q|}{r^2}\) .
    Рис. 2
  • сферой радиуса R с зарядом q, на расстоянии l от центра сферы в точке C (рис. 3), равно
    \(~E = k \cdot \dfrac{|q|}{l^2}\) , если lR;
    \(~E = 0\) , если l < R.
    Рис. 3
  • заряженной бесконечной пластиной с поверхностной плотностью заряда σ, равно
    \(~E = \dfrac{|\sigma|}{2 \varepsilon_0}\) ,
    где \(~\sigma = \dfrac{q}{S}\) , q – заряд плоскости, S – площадь плоскости.

Принцип суперпозиции полей

А чему будет равна напряженность в некоторой точке электрического поля, созданного несколькими зарядами q1, q2, q3, …?

Поместим в данную точку пробный заряд q. Пусть F1 — это сила, с которой заряд q1 действует на заряд q; F2 — это сила, с которой заряд q2 действует на заряд q и т.д. Из динамики вы знаете, что если на тело действует несколько сил, то результирующая сила равна геометрической сумме сил, т.е.

\(~\vec F = \vec F_1 + \vec F_2 + \vec F_3 + \ldots\) .

Разделим левую и правую часть уравнения на q :

\(~\dfrac{\vec F}{q} = \dfrac{\vec F_1}{q} + \dfrac{\vec F_2}{q} + \dfrac{\vec F_3}{q} + \ldots\) .

Если учтем, что \(\dfrac{ \vec F}{q} = \vec E\), мы получим, так называемый, принцип суперпозиции полей

напряженность электрического поля, созданного несколькими зарядами q1, q2, q3, …, в некоторой точке пространства равна векторной сумме напряженностей \(\vec E_1 , \, \vec E_2 , \, \vec E_3\), … полей, создаваемых каждым из этих зарядов:

\(~\vec E = \vec E_1 + \vec E_2 + \vec E_3 + \ldots\) .

Благодаря принципу суперпозиции для нахождения напряженности поля системы точечных зарядов в любой точке достаточно знать выражение для напряженности поля точечного заряда. На рисунке 4, а, б показано, как геометрически определяется напряженность \(~\vec E\) поля, созданного двумя зарядами.

Рис. 4

Для определения напряженности поля, создаваемого заряженным телом конечных размеров (не точечных зарядов), нужно поступать следующим образом. Мысленно разделить тело на маленькие элементы, каждый из которых можно считать точечным. Определить заряды всех этих элементов и найти напряженности полей, созданных всеми ими в заданной точке. После этого сложить геометрически напряженности от всех элементов тела и найти результирующую напряженность поля. Для тел сложной формы это трудная, но в принципе разрешимая задача. Для ее решения нужно знать, как заряд распределен на теле.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий