Закрыть

Добро пожаловать!

Введите, пожалуйста, Ваши логин и пароль

Авторизация
Скачать .xls
Откуда Вы узнали про нашу компанию?
 
Печать

Фізика ПО: 6.1.4. Електричне поле в речовині

6.1.4. Електричне поле в речовині

Розглянемо поведінку провідника, поміщеного в електричне поле. У провідниках є вільні заряди. Зокрема, в металевих провідниках є вільні носії заряду - електрони.

Якщо металевий провідник помістити в зовнішнє електростатичне поле, то під дією електричних сил вільні електрони починають переміщатися по провіднику до тих пір, поки в провіднику встановиться рівновагу вільних зарядів.

Розглянемо процеси, що протікають в металевій пластинці при приміщенні її в зовнішнє електричне поле (див. Рис. 4.1).

Мал. 4.1. Металева пластинка в зовнішньому електричному полі: 1 - Е 0 = 0; 2 - встановлення рівноважного розподілу зарядів; 3 - рівновага зарядів у провіднику

При внесенні пластинки під зовнішнє поле Е 0 вільні електрони починають рухатися проти силових ліній і виникає електричний струм (див. Рис. 4.1-2). За мізерно малий час заряди перерозподіляються в провіднику. Ліва поверхню пластинки заряджається негативно за рахунок надлишку електронів. У той же час на правій поверхні пластинки виникає нестача електронів, тобто з'являється надлишковий позитивний заряд. Заряди, які з'являються на поверхні пластини, створюють всередині провідника електричне поле Е '' '', спрямоване протилежно зовнішньому полю Е 0. Рух вільних електронів буде тривати до тих пір, поки результуюче поле в провіднику не стане рівним нулю

Рух вільних електронів буде тривати до тих пір, поки результуюче поле в провіднику не стане рівним нулю

В умовах рівноваги електричних зарядів електричне поле всередині провідника дорівнює нулю.


Явище поділу (перерозподілу) електричних зарядів в провіднику, вміщеному в зовнішнє електростатичне поле, називається електростатичною індукцією.

Відсутність електричного поля всередині провідника дозволяє побудувати електростатичну захист, яка полягає в екранування тел (наприклад, чутливих приладів) від впливу зовнішніх електричних полів шляхом їх приміщення всередині замкнутої провідної оболонки.

На рис. 4.2 показаний експеримент з вивчення екрануючого дії замкнутої провідної оболонки. Між зарядженими пластинами конденсатора поміщаються «султани» з вузьких смужок фольги і цигаркового паперу. Смужки електризуються і притягуються до пластин, розташовуючись уздовж силових ліній електростатичного поля. Якщо накрити «султани» ящиком з густою металевої сітки, то смужки повисають вертикально. Це свідчить про відсутність електростатичного поля всередині проводить ящика.

Мал. 4.2. електростатичний захист

Оскільки всередині провідника відсутнє електричне поле, то потенціали всіх точок провідника однакові. Тобто поверхня провідника є еквіпотенційної поверхнею, а обсяг провідника - еквіпотенційної обсягом.

Силові лінії електричного поля перпендикулярні поверхні провідника.

Еквіпотенційної поверхні зарядженого провідника складної форми, що складається з циліндричної частини і двох конічних - опуклою і увігнутою можна продемонструвати в досвіді (див. Рис. 4.3). Переміщаючи металевий пробний кульку, з'єднаний з електрометром, за всіма трьома частинами поверхні цього тіла, спостерігають незмінне відхилення стрілки електрометрії, що свідчить про рівність потенціалів всіх точок тіла, хоча щільність заряду на різних частинах поверхні тіла різна.

Мал. 4.3. Розподіл потенціалу по поверхні провідника складної форми

Електричний заряд, який посилає провіднику, розподіляється по його поверхні. Повний заряд в будь-якому обсязі всередині провідника за умови рівноваги зарядів завжди дорівнює нулю. Речовина всередині провідника електронейтральних.

Розподіл електричних зарядів всередині і на поверхні провідника вивчається в експерименті (див. Рис. 4.4). Це демонструється за допомогою металевої кулі і двох металевих півкуль, якими можна оточувати куля. Після повідомлення кулі заряду приєднаний до нього електрометрії показує наявність заряду на його поверхні. Якщо торкнутися кулею поверхні сфери, складеної з двох півкуль, то заряд розподіляється між кулею і сферою. Якщо ж куля, поміщений усередині сфери, з'єднати зі сферою, то весь заряд з кулі перетікає на сферу. Після вилучення кулі зі сфери електрометрії показує відсутність залишкового заряду на кулі.

Мал. 4.4. Заряди на поверхні і в об'ємі провідника

По поверхні провідника сферичної форми заряди в силу симетрії розподіляються рівномірно.

Якщо ж поверхня провідника має западини і опуклості, то поверхнева щільність зарядів буде різною в різних точках поверхні провідника. Там, де є опуклість, особливо вістря, щільність зарядів буде більше, ніж там, де є западина (див. Рис. 4.5).

Мал. 4.5. Розподіл зарядів по поверхні провідника складної форми

Зростання щільності зарядів на поверхні провідника зі збільшенням її кривизни демонструється в експерименті (див. Рис. 4.6). Торкнемося пробним металевим кулькою різних частин поверхні провідника складної форми, що складається з циліндричної і двох конічних поверхонь, а потім - контакту електрометрії. При цьому спостерігається практично повна відсутність відхилення стрілки електрометрії після торкання кулькою увігнутої частини тіла, невелике відхилення після торкання циліндричної частини і максимальне - при торканні вістря опуклою частини тіла.

Мал. 4.6. Експериментальне дослідження розподілу щільності зарядів по поверхні провідника складної форми

Якщо провіднику, вміщеної у зовнішнє поле, повідомити додаткові вільні заряди, то вони також розподіляться по поверхні провідника. Поверхнева щільність зарядів провідника при цьому збільшиться, але всередині провідник залишиться як і раніше електронейтральний.

Повернемося до розгляду зарядженого провідника, показаного на рис. 4.5. Еквіпотенціальні лінії (на рис. Показані синім кольором) поблизу вістря згущуються, що свідчить про різке зростання напруженості поля в цьому місці. На самому вістрі щільність зарядів може досягати дуже великої величини. До вістря з навколишнього середовища починають притягатися іони, які завжди є в повітрі (їх створюють космічні промені, що пронизують атмосферу, і інші джерела іонізації). Ці іони, осідаючи на поверхні провідника, частково нейтралізують його заряд. При цьому однойменні з зарядом вістря іони спрямовуються геть від нього, тягнучи при цьому нейтральні молекули повітря. Виникає відчутне рух повітря у напрямку від вістря, яке називається електричним вітром.

Електричний вітер можна спостерігати в експерименті за допомогою установки, зображеної на рис. 4.7. Тут демонструється стікання електричних зарядів з загострених частин металевих тіл, які заряджаються від електростатичного машини. При цьому виникає електричний вітер і реактивні сили, що діють на вістрі. Це викликає обертання «колеса Франкліна», на якому є спиці з відігнутими в одну сторону гострими кінцями, а також відхилення полум'я свічки в сторону від вістря, з якого стікають заряди.

Мал. 4.7. Установка для спостереження електричного вітру

Перейдемо тепер до розгляду поведінки діелектриків в зовнішньому електричному полі.

При внесенні незарядженого діелектрика в зовнішнє електричне поле відбуваються суттєві зміни, як в полі, так і в самому діелектрику. Зокрема, на діелектрик з боку поля починає діяти сила, збільшується ємність конденсатора при заповненні його діелектриком і ін.

Конкретні фізичні процеси, що протікають в діелектрику при внесенні його в зовнішнє електричне поле, залежать від фізичної природи діелектрика.

Діелектрики можуть складатися або з нейтральних молекул, (такий діелектрик називається молекулярним), або з заряджених іонів, що знаходяться у вузлах кристалічної решітки (іонний кристал).

У свою чергу молекулярні діелектрики можуть складатися з молекул, у яких центри ваги позитивних і негативних зарядів не збігаються, наприклад, молекули води H 2 O. Такі молекули називаються полярними.

Якщо центри ваги позитивних і негативних зарядів молекули за відсутності зовнішнього поля збігаються, то такі молекули називаються неполярними. Прикладом неполярной молекули є молекули кисню О2.

При приміщенні діелектрика, що складається з неполярних молекул, в зовнішнє електричне поле, відбувається зміщення електричних зарядів в межах молекули. Позитивні заряди (ядра атомів) зміщуються вздовж поля, негативні заряди (електрони оболонки атома) - в протилежному напрямку. Центри ваги позитивних і негативних зарядів більше не збігаються, причому їх взаємне зміщення в слабких полях пропорційно величині напруженості поля в діелектрику (див. Рис. 4.8). Позитивні заряди молекули будуть зміщені по полю, а негативні - в протилежному напрямку (див. Рис. 4.8-2). Така молекула стає подібною диполю, тобто системі двох точкових однакових по модулю різнойменних зарядів. Диполі будуть орієнтовані уздовж силових ліній (див. Рис. 4.8-3).

8-3)

Мал. 4.8. Поляризація неполярного діелектрика в зовнішньому електричному полі: 1 - неполярная молекула під час відсутності зовнішнього поля; 2 - процес поляризації молекули; 3 - поляризований діелектрик

Якщо діелектрик, що складається з полярних молекул, знаходиться поза полем, то хаотичний тепловий рух його молекул, які представляють собою крихітні диполі, орієнтує їх безладно. Якщо цей діелектрик помістити в зовнішнє електричне поле, то воно буде прагнути орієнтувати всі диполі уздовж силових ліній. У той же час теплове хаотичний рух молекул прагне порушити цю орієнтацію (див. Рис. 4.9).

Мал. 4.9. Поляризація полярного діелектрика в зовнішньому електричному полі: 1 - полярні молекули за відсутності зовнішнього поля; 2 - поляризований діелектрик

Ступінь упорядкування молекул діелектрика пропорційна величині напруженості поля.

У діелектрику, що є іонним кристалом, і складається з двох подрешеток, утворених відповідно позитивними і негативними іонами, під дією зовнішнього поля відбувається взаємне зміщення подрешеток уздовж поля і в протилежному напрямку.

Таким чином, незалежно від природи діелектрика при внесенні його під зовнішнє поле в ньому відбувається поляризація.

Поляризація - це явище, яке полягає у відносному зміщенні позитивних і негативних зарядів, що входять до складу молекул діелектрика, уздовж силових ліній зовнішнього поля на відстані, малі в порівнянні з розмірами молекул.

Всередині діелектрика сусідні різнойменні заряди диполів взаємно компенсують один одного. Тому всередині діелектрика сумарна об'ємна щільність заряду дорівнює нулю. Тобто всередині діелектрик електронейтрален.

У той же час в результаті поляризації на поверхнях діелектрика з'являються некомпенсовані заряди різних знаків (див. Рис. 4.10).

Рис.4.10. Поява зв'язаних зарядів на поверхні діелектрика, вміщеного у зовнішнє електричне поле

Нескомпенсовані заряди, що з'являються в результаті поляризації діелектрика, називаються пов'язаними (або поляризаційними).

Пов'язані заряди можуть переміщатися тільки всередині атомів і молекул.

Пов'язані заряди на поверхнях поляризованого діелектрика створюють своє електричне поле Е '' '', спрямоване в бік, протилежний зовнішньому полю Е 0. Напруженість поля зв'язаних зарядів завжди менше напруженості зовнішнього поля.

Таким чином, поле всередині діелектрика є суперпозицією зовнішнього поля і поля зв'язаних зарядів (див. Рис. 4.10):

Вектор напруженості результуючого поля спрямований в ту ж сторону, що м вектор напруженості зовнішнього поля, а його модуль дорівнює різниці модулів напруженостей зовнішнього поля і поля зв'язаних зарядів

Отже, діелектрик, внесений у зовнішнє електричне поле, завжди зменшує його напруженість.

Напруженість електричного поля в однорідному безмежному діелектрику пропорційна напруженості зовнішнього поля

Напруженість електричного поля в однорідному безмежному діелектрику пропорційна напруженості зовнішнього поля

Величина e, що показує, у скільки разів напруженість електричного поля в діелектрику менше напруженості поля в вакуумі, називається відносної діелектричної проникністю речовини.

Відносна діелектрична проникність залежить від фізичних властивостей діелектрика. Для всіх речовин e> 1.

Якщо два точкових заряди помістити в однорідний діелектрик, то сила взаємодії зменшиться в e раз. Закон Кулона для зарядів, що знаходяться в діелектрику, набирає вигляду

Закон Кулона для зарядів, що знаходяться в діелектрику, набирає вигляду

Аналогічним чином потенціал поля точкового заряду, поміщеного в однорідний діелектрик, у всіх точках простору зменшується в e раз

Аналогічним чином потенціал поля точкового заряду, поміщеного в однорідний діелектрик, у всіх точках простору зменшується в e раз