Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Электростатическая индукция

Любое тело, помещенное в электрическом поле, электризуется. Однако процесс электризации для различных веществ будет разным.

Электрические характеристики электронейтрального тела зависят от подвижности заряженных частиц в нем, которая определяется строением атомов вещества и их взаимным расположением.

По концентрации свободных заряженных частиц в веществе все вещества делятся на три основных класса: проводники, диэлектрики и полупроводники. К проводникам относятся вещества, содержащие заряженные частицы, способные двигаться упорядоченно по всему объему тела под действием электрического поля, — так называемые свободные заряды. Проводниками являются все металлы, водные растворы солей, кислот, щелочей, расплавы солей, ионизованные газы.

Рассмотрим поведение в электрическом поле только твердых металлических проводников. В металлах носителями свободных зарядов являются свободные электроны. Их называют электронами проводимости. Свободные электроны участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по куску металла в любом направлении.

Поместим незаряженный металлический проводник в однородное электростатическое поле.

Под действием поля в нем возникнет упорядоченное движение свободных электронов в направлении, противоположном направлению напряженности Ē этого поля. Электроны будут накапливаться на одной стороне проводника и образуют там избыточный отрицательный заряд, а их нехватка на другой стороне проводника повлечет образования там избыточного положительного заряда, то есть в проводнике произойдет разделение зарядов. Эти нескомпенсированные разноименные заряды появляются в проводнике только под действием внешнего электрического поля, то есть такие заряды являются индуцированными (приведенными). А в целом проводник остается незаряженным. В этом мы убеждаемся, вынимая проводник из электрического поля.

Вид электризации, при котором под действием внешних электрических полей происходит перераспределение зарядов между частями определенного тела, называют электростатической индукцией.

Нескомпенсированные электрические заряды, появившиеся на противоположных частях проводника, создают внутри проводника собственное электрическое поле напряженностью Ēвн. Направления внешнего и внутреннего полей — противоположные:

Проводник во внешнем электрическом поле

В результате перемещения свободных носителей заряда и накопления их на противоположных частях проводника напряженность Ē внутреннего поля увеличивается и, наконец, уравнивается по модулю с напряженностью Ēвн внешнего поля. Это приводит к тому, что напряженность результирующего поля внутри проводника равна нулю. К тому же на проводнике устанавливается равновесие зарядов.

Электростатическая защита

При равновесия зарядов на проводнике все нескомпенсированный заряд размещается только на внешней поверхности проводника, а внутри него электрического поля нет. Это явление используют для создания электростатической защиты — защиты от действия электрического поля. В отличие от гравитационного поля, от электрического поля можно защититься, если окружить проводник, например, медной сеткой. На практике это используют, чтобы защититься от мощного электрического поля радиолокаторов и радиостанций, излучения которых может навредить здоровью человека; чтобы предотвратить действия электрического поля на чувствительные приборы.

Электрическое поле, сконцентрированное извне

Виды диэлектриков

Диэлектриками, или изоляторами, называют такие тела, через которые электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному. Это свойство диэлектриков обусловлена тем, что в них при определенных условиях нет свободных носителей заряда. Если условия меняются, например, при нагревании, в диэлектрике могут возникнуть свободные носители заряда, и он начнет проводить электричество. Итак, разделение веществ на проводники и диэлектрики является условным.

К диэлектрикам относятся все газы при нормальных условиях, жидкости (керосин, спирты, ацетон, дистиллированная вода и др.), твердые тела (стекло, пластмассы, сухое дерево, бумага, резина и т.д.).

В диэлектриках электрические заряды не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему тела так, как свободные заряды проводника.

Диэлектрики делят на два вида:

  • полярные, состоящие из молекул, в которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают (вода, спирты и др.)
  • неполярные, состоящие из атомов или молекул, в которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают (бензол, инертные газы, полиэтилен и др.).
Виды диэлектриков: а — полярные; б — неполярные

Поляризация диэлектриков

Внутри диэлектрика электрическое поле может существовать. Притяжение незаряженного тела (диэлектрика) и заряженного тела объясняется тем, что в электрическом поле происходит поляризация диэлектрика, то есть смещение по сторонам разноименных зарядов, входящих в состав атомов и молекул таких веществ, но здесь смещение происходит в пределах каждого атома или молекулы.

Молекулы полярных диэлектриков — это электрические диполи, имеющих постоянный дипольный момент вследствие асимметрии центра масс положительных и отрицательных зарядов.

Если полярный диэлектрик поместить в электрическое поле, то эти диполи начинают возвращаться своими положительно заряженными концами к отрицательно заряженной пластины, а отрицательно заряженными — к положительно заряженной пластине. В результате на поверхности диэлектрика у положительной пластины возникает достаточно тонкий слой отрицательных зарядов, а у отрицательной — положительных, которые и создают встречное поле. (Внутри диэлектрика положительные и отрицательные заряды соседних диполей компенсируют действие друг друга.) Однако, в отличие от проводников, это поле уже не способно полностью компенсировать внешнее, а лишь ослабляет его в ε раз.

Поляризация полярного диэлектрика

Молекулы неполярных диэлектриков, если отсутствует внешнее электрическое поле, дипольного момента не имеют. Если же неполярный диэлектрик поместить в электрическое поле, его молекулы деформируются, в результате чего образуются диполи, которые ведут себя, как и диполи полярного диэлектрика. В полярных диэлектриках также происходит поляризация молекул, вследствие чего в электрическом поле дипольный момент каждой молекулы несколько увеличивается. Но поляризация неполярных диэлектриков объясняется возникновением дипольного момента в молекуле вследствие ее деформации во внешнем электрическом поле. В зависимости от химической связи она может быть результатом деформации электронных оболочек отдельных атомов и ионов (электронная поляризация) или следствием смещения положительных и отрицательных ионов в разные стороны вдоль силовых линий внешнего электрического поля (ионная поляризация). Приведенный дипольный момент возрастает с увеличением напряженности электрического поля.

Деформация и ориентация молекул неполярного диэлектрика в электрическом поле

Таким образом, в диэлектриках, как и в проводниках, наблюдается индукция электрических зарядов. Однако, если в электрическом поле разделить диэлектрик на две части, то мы не получим разноименно заряженных тел. В этом заключается отличие индукции в диэлектрике от индукции в проводниках.

Диэлектрическая проницаемость вещества

Для характеристики электрических свойств диэлектриков введена особая величина, которую называют диэлектрической проницаемостью. Это физическая постоянная, которая показывает, во сколько раз модуль напряженности электрического поля внутри диэлектрика Евн меньше модуля напряженности Е0 в вакууме:

Диэлектрическая проницаемость определена для всех диэлектриков и занесена в таблицы. Для дистиллированной воды ε = 81, а для керосина ε = 2.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.