ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ - Студенческий научный форум

VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ

Трубников Е.И. 1
1НИУ "БелГУ", факультет математики и естественнонаучного образования
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

 

Мы живем в мире, в котором большая часть веществ находится в твердом, жидком и газообразном состояниях. Мы пользуемся различными инструментами, приборами и современными средствами связи: радио, телевидение, компьютеры и т. д. А ведь все они состоят из проводников, диэлектриков и д.р.

Стремительное развитие очень многих областей техники (радиосвязь, телевидение, автоматика, вычислительная техника, многие области оборонной техники, космическая связь и д.р.) было бы невозможным без достижения физики в области влияния электростатического поля на проводники и диэлектрики.

Основными материалами, с которыми сталкиваются при разработки основных деталей являются проводниковые материалы, магнитные материалы, диэлектрические материалы. Общим для них является то, что они эксплуатируются в условиях действия электрического или магнитного поля. В них протекают электрические токи, запасается электрическая или магнитная энергия, выделяется тепловая энергия, происходят потери электрической или магнитной энергии, происходит нагревание материалов. Здесь также следует выделить целый громадный класс материалов не по признаку их функционирования, а по составу.

Что такое проводник и диэлектрик? Какими свойствами они обладают? Как влияет электростатическое поле на проводники и диэлектрики? Как и где они применяются в настоящее время и каковы перспективы их применения в будущем? Вот эти вопросы заинтересовали нас, и мы попробуем найти на них ответы.

Поляризация веществ

Проводники

Проводниками называются тела, способные пропускать через себя электрические заряды. Проводниками являются металлы, жидкие растворы и расплавы электролитов. Свободными зарядами в металле являются электроны внешних оболочек атомов, потерявшие с ними связь. Эти электроны, называемые свободными электронами, могут свободно двигаться по металлическому телу в любом направлении. В растворах солей свободными зарядами служат положительно и отрицательно заряженные ионы [5].

а) Металлы

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. Это было доказано в 1901 году. Немецкий физик К. Рикке проделал следующий опыт. Три предварительно взвешенных цилиндра (2 медных и один алюминиевый) он сложил так, что алюминиевый цилиндр оказался между медными. Затем цилиндры были включены в цепь постоянного тока: через них в течении года проходил большой ток. Вторичное взвешивание цилиндров показало, что масса их не изменилась. При исследовании торцов под микроскопом не было обнаружено проникновения одного метала в другой. Результаты опыта свидетельствовали о том, что в переносе заряда в металлах ионы не участвуют [5].

Для выяснения природы носителей тока в металлах физики Л. И. Мандельштам и Д. Папалекси провели в 1913г. опыт. Идея опыта сводилась к тому чтобы обнаружить электрический ток при внезапной остановке быстро движущегося проводника [5].

В 1916г. аналогичный опыт осуществили американские физики Т. Стюарт и Р. Толмен. Таким образом результаты опыта свидетельствовали о том, что носителями тока в металлах могли быть только электроны .

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 отрицательные заряды (рис.1).

Рис. 1.

Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.

Индукционные заряды создают свое собственное поле E′ которое компенсирует внешнее поле E˳ во всем объеме проводника: E=Е′+E˳=0 (внутри проводника). Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.

Свободные заряды перестают перемещаться вдоль поверхности проводящего тела при достижении такого распределения, при котором вектор напряженности электрического поля в любой точке перпендикулярен поверхности тела. Поэтому в электрическом поле поверхность проводника любой формы является эквипотенциальной поверхностью.

Напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю, т.е. поле внутри проводника отсутствует. Это используется в технике: для экранирования электроизмерительных приборов от влияния внешних электрических полей их заключают в проводящие корпуса. Весь статический заряд проводника распределен по его поверхности. Но заряд, сообщенный проводнику, распределится по его поверхности неравномерно. Заряды скапливаются на выступах или остриях. Чем больше кривизна поверхности, тем больше поверхностная плотность заряда. Поверхностной плотностью заряда называется физическая величина, равная отношению заряда к площади, по которой он распределен.

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 (рис.2).

Рис. 2

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

б) В жидкости

Происхождение электрического тока (движение электрических зарядов) через раствор существенно отличается от движения электрических зарядов по металлическому проводнику. Различие, прежде всего в том, что зарядоносителями в растворах являются не электроны, а ионы, т.е. сами атомы или молекулы, потерявшие или захватившие один или несколько электронов. Естественно, это движение, так или иначе, сопровождается изменением свойств самого вещества.

Рассмотрим электрическую цепь, элементом которой является сосуд с раствором поваренной соли и с вставленными в него электродами любой формы из пластины. При подключении к источнику питания в цепи появляется ток, представляющий собой в растворе движение тяжелых заряженных частиц – ионов. Появление ионов уже означает возможность химического разложения раствора на два основных элемента – Na и Cl. Натрий, потерявший электрон, представляет собой положительно заряженный ион, движущийся к электроду, который подключен к отрицательному полюсу источника питания, электрической цепи. Хлор, “узурпировавший” электрон, представляет собой отрицательный ион. Отрицательные ионы хлора движутся к электроду, который подключен к положительному полюсу источника питания эл. цепи.

Образование положительных и отрицательных ионов происходит вследствие самопроизвольного распада молекулы поваренной соли в водном растворе (электролитическая диссоциация). Движение ионов обусловлено напряжением, поданным на электроды, опущенные в раствор. Достигнув электродов, ионы забирают или отдают электроны, образуя соответственно молекулы Cl и Na. Подобные явления наблюдаются в растворах многих других веществ. Молекулы этих веществ, подобно молекулам поваренной соли, состоят из противоположно заряженных ионов, на которые они и распадаются в растворах. Количество распавшихся молекул, точнее, число ионов, характеризует электрическое сопротивление раствора [3].

Ещё раз подчеркнём, что происхождение электрического тока по цепи, элементом которой является раствор, вызывает перемещение вещества этого элемента электрической цепи, и, следовательно, изменение его химический свойств, в то время, как при прохождении электрического тока по металлическому проводнику никаких изменений в проводнике не происходит.

Диэлектрики

В отличие от проводников, в идеальных 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.

При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле E˳ 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. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.

Связанные заряды создают электрическое поле E′, которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности E˳ внешнего поля . Этот процесс называется поляризацией диэлектрика. В результате полное электрическое поле E= E′+Е˳ внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше внешнего поля Е˳ [5].

Поляризацию диэлектриков характеризуют вектором поляризации P, который представляет собой дипольный момент единицы объёма Д. Дипольный момент нейтральной в целом системы зарядов есть вектор, равный произведению расстояния между центрами тяжести положительных и отрицательных зарядов на величину заряда одного знака. Направлен этот вектор от центра тяжести отрицательных к центру тяжести положительных зарядов. Вектор P зависит от напряжённости электрического поля Е. Поскольку сила, действующая на заряд, пропорциональна Е, то, естественно, что при малых полях величина Р пропорциональна Е. Коэффициент пропорциональности χ в соотношении P = χЕ называется диэлектрической восприимчивостью диэлектрика. Но чаще оказывается удобным вместо вектора P пользоваться вектором электрической индукции

D = Е + 4πP = εЕ

Ясно, что

ε = 1 + 4πχ.

В вакууме χ = 0 и ε = 1 (в системе единиц СГСе). Значение ε (или χ) является основной характеристикой диэлектрика.

В анизотропных диэлектриках (например, в некубических кристаллах) направление вектора поляризации P определяется не только направлением поля Е, но также выделенными направлениями среды, например, осями симметрии кристалла. Поэтому вектор P будет составлять различные углы с вектором Е в зависимости от ориентации Е по отношению к осям симметрии. В результате вектор D будет определяться через вектор E с помощью не одной величины ε, а несколькими величинами (в общем случае — шестью), образующими тензор диэлектрической проницаемости [4].

Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная и электронная поляризации.

а) Полярные диэлектрики

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. Дипольным моментом обладает, например, молекула воды.

При отсутствии внешнего электрического поля оси молекулярных диполей ориентированы хаотично из-за теплового движения, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем равен нулю.

При внесении диэлектрика во внешнее поле E˳ возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле E′ направленное навстречу внешнему полю Е˳ (рис. 3).

Рис.3

Поляризация полярных диэлектриков сильно зависит от температуры, так как тепловое движение молекул играет роль дезориентирующего фактора [3].

б) Неполярные диэлектрики

Электронный или упругий механизм проявляется при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не обладают в отсутствие внешнего поля дипольным моментом. Под действием электрического поля молекулы неполярных диэлектриков деформируются – положительные заряды смещаются в направлении вектора а отрицательные – в противоположном направлении. В результате каждая молекула превращается в электрический диполь, ось которого направлена вдоль внешнего поля E˳. На поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные связанные заряды, создающие свое поле E′ направленное навстречу внешнему полю E˳. Так происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис.4).

Рис. 4

Деформация неполярных молекул под действием внешнего электрического поля не зависит от их теплового движения, поэтому поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры. Примером неполярной молекулы может служить молекула метана CH₄. У этой молекулы четырехкратно ионизированный ион углерода C⁴⁻ располагается в центре правильной пирамиды, в вершинах которой находятся ионы водорода H⁺. При наложении внешнего электрического поля ион углерода смещается из центра пирамиды, и у молекулы возникает дипольный момент, пропорциональный внешнему полю [3], [5].

Электрическое поле E′ связанных зарядов, возникающее при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, изменяется по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля E˳. В очень сильных электрических полях эта закономерность может нарушаться, и тогда проявляются различные нелинейные эффекты. В случае полярных диэлектриков в сильных полях может наблюдаться эффект насыщения, когда все молекулярные диполи выстраиваются вдоль силовых линий. В случае неполярных диэлектриков сильное внешнее поле, сравнимое по модулю с внутриатомным полем, может существенно деформировать атомы или молекулы вещества и изменить их электрические свойства. Однако эти явления практически никогда не наблюдаются, так как для этого нужны поля с напряженностью 1010–10¹² В/м. Между тем, гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.

У многих неполярных молекул при поляризации деформируются электронные оболочки, поэтому этот механизм получил название электронной поляризации. Этот механизм является универсальным, поскольку деформация электронных оболочек под действием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика.

В случае твердых кристаллических диэлектриков наблюдается так называемая ионная поляризация, при которой ионы разных знаков, составляющие кристаллическую решетку, при наложении внешнего поля смещаются в противоположных направлениях, вследствие чего на гранях кристалла появляются связанные (нескомпенсированные) заряды.

Влияние электростатического поля на проводники и диэлектрики

Электрическое поле

Взаимодействие электрических зарядов объясняется тем, что вокруг каждого заряда существует электрическое поле. Электрическое поле заряда – это материальный объект, оно непрерывно в пространстве и способно действовать на другие электрические заряды. Электрическое поле неподвижных зарядов называется электростатическим. Электростатическое поле создается только электрическими зарядами, существует в пространстве, окружающем эти заряды и неразрывно с ними связано.

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. В любом веществе, помещённом в электрическом поле, составляющие его электрические заряды (электроны, атомные ядра) испытывают силы со стороны этого поля. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле Е складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля E˳ и внутреннего поля E′ создаваемого заряженными частицами вещества.

В результате часть зарядов направленно перемещается, образуя электрический ток. Остальные же заряды перераспределяются так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются друг относительно друга. В последнем случае говорят о поляризации вещества. В зависимости от того, какой из этих двух процессов — электропроводность или поляризация — преобладает, принято деление веществ на проводники (металлы, электролиты, плазма) и изоляторы (диэлектрики). Электропроводность изоляторов (диэлектриков) по сравнению с металлами очень мала. Их удельное сопротивление ρ порядка 10⁸—10¹⁷ ом·см, а у металлов ρ ~ 10⁻⁶ — 10⁻⁴ ом·см. Существует и промежуточный класс — полупроводники, свойства которых опразделяются процессами как электропроводности, так и поляризации.

Наиболее широкие классы вещества составляют проводники и диэлектрики. В металлах электрический ток представляет собой упорядоченное движение свободных электронов. Материалы, в которых мало или совсем нет свободных электронов, являются диэлектриками или изоляторами. Примерами хороших проводников являются такие металлы, как медь, алюминий, золото и серебро. Различные пластмассы и керамические материалы представляют собой хорошие изоляторы [3].

Эффекты, возникающие вследствие влияния электростатического поля на проводники и диэлектрики

При внесении во внешнее электрическое поле вещество (проводник или диэлектрик), оно может менять свои электромагнитные свойства. Конечно это зависит от того проводник это или диэлектрик, а также зависит от электромагнитных характеристик вещества, при этом возникают различного рода эффекты (например: пьезоэлектрический эффект, эффект Керра, эффект Покельса и другие). Например, существует группа веществ, которые обладают спонтанной (самопроизвольной) поляризацией в отсутствие внешнего электрического поля. Это явление было открыто первоначально для сегнетовой соли KNaC4H4O6·4H2O , в связи с чем все подобные вещества получили название сегнетоэлектриков. К сегнетоэлектрикам относятся, например, дигидрофосфат калия KH2PO4молибдат гадолиния, титанат висмута, метатитанат бария BaTiO3 и другие. Первое детальное исследование электрических свойств сегнетовой соли было осуществлено советскими физиками И.В. Курчатовым и П.П. Кобенко. Сегнетоэлектрики от остальных диэлектриков отличаются рядом характерных особенностей. В то время как у обычных диэлектриков ε составляет несколько единиц, достигая в виде исключения нескольких десятков (например, для воды ε=81), диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков бывает порядка нескольких тысяч (например, для сегнетовой соли ε=10000). Зависимость D=f(E) не является линейной, следовательно, диэлектрическая проницаемость оказывается зависящей от напряженности поля. При изменении поля значения вектора поляризации (а следовательно и ) отстают от напряженности поля , в результате чего и определяются не только величиной в данный момент, но и предшествующим значениями , т.е., зависят от предыстории диэлектрика. Это явление называется гистерезисом (гр. – запаздывание). При циклических изменениях поля зависимость P=f(E) следует изображенной (рис. 4.6) кривой, называемой петлей гистерезиса. При первоначальном включении поля поляризация растет с увеличением E в соответствии с ветвью кривой 1. Уменьшение поляризации, в связи с уменьшением Е, происходит по ветви 2. При Е=0 сегнетоэлектрик сохраняет значение поляризацииPr, называемое остаточной поляризацией. Только под действием противоположно направленного поля напряженности ЕC поляризация становится равной нулю. Это значение напряженности поля (ЕC) называется коэрцитивной силой. При дальнейшем изменении Е возникает ветвь 3 петли гистерезиса. Поведение поляризации сегнетоэлектриков аналогично поведению намагничения ферромагнетиков [1], [3], [5].

Сегнетоэлектриками могут быть только кристаллические вещества, причем такие, у которых отсутствует центр симметрии. Так, например, кристаллы сегнетовой соли принадлежат к ромбической системе. Взаимодействие частиц в кристалле сегнетоэлектрика приводит к тому, что их дипольные моменты спонтанно устанавливаются параллельно друг другу. В исключительных случаях одинаковая ориентация дипольных моментов распространяется на весь кристалл. Обычно же кристалл можно представить в виде ряда областей, в пределах каждой из которых дипольные моменты атомов параллельны друг другу, однако, направления вектора поляризации в разных областях бывают различны, так что результирующий дипольный момент всего кристалла может быть равен нулю. Области самопроизвольной поляризации называются доменами. Под действием внешнего электрического поля моменты доменов поворачиваются как целое, устанавливаясь в направлении поля.

Для каждого сегнетоэлектрика имеется температура, выше которой вещество утрачивает необычные свойства и становится нормальным диэлектриком. Эта температура называется точкой Кюри по имени французского физика Пьера Кюри (1859–1906), который занимался исследованиями диэлектрических и магнитных свойств тел в зависимости от температуры (П. Кюри один из основателей учения о радиоактивности).

Сегнетова соль имеет две точки Кюри: -150С и +22,50С, т.е., в этом интервале температур она ведет себя как сегнетоэлектрик. Очень важное практическое значение имеет открытый советским физиком Б.М. Вулом и его сотрудниками сегнетоэлектрик метатитанат бария ВаTiO3(=6000) точка Кюри которого равна 1250С. (Вул Бенцион Моисеевич (1903–1972) занимался исследованиями по физике диэлектриков и полупроводников, а также фотоэлектрических явлений, вентильным фотоэффектом, полупроводниковыми лазерами).

Прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты

Рис.5

Некоторые кристаллы, не имеющие центра симметрии (в том числе все сегнетоэлектрики), при деформации поляризуются. Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом или просто пьезоэлектрическим эффектом (Пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880г. французским физиком П. Кюри). Величина поляризации пропорциональна деформации.

Важнейшими пьезоэлектриками (т.е. пьезоэлектрическими кристаллами) являются кварц, сегнетова соль, метатитанат бария и сульфат лития.

Рис. 6

Рассмотрим возникновение пьезоэлектрического эффекта на кристаллах кварца. Кристаллы кварца SiO2 существуют в различных кристаллографических модификациях. Интересующие нас кристаллы (α–кварц) принадлежат к так называемой триагональной кристаллографической системе, имеющей форму, показанную на (рис. 5). Они напоминают шестигранную призму, ограниченную двумя пирамидами, и имеют ряд дополнительных граней. Такие кристаллы характеризуются четырьмя кристаллическими осями, определяющими важные направления внутри кристалла. Ось z соединяет вершины пирамид. Три другие оси перпендикулярны к оси z и соединяют противоположные ребра шестигранной призмы. Направление, определяемое осью z пьезоэлектрически неактивно, т.е., при сжатии или растяжении по оси z никакой поляризации не происходит. При сжатии или растяжении в любом направлении перпендикулярном оси z, возникает электрическая поляризация. Ось z называется оптической осью кристалла, а оси х1, х2, х3 – электрическими или пьезоэлектрическими осями. Таким образом, если вырезать из кристалла кварца пластинку, перпендикулярную оптической оси z, и подвергнуть ее сжатию, то на гранях этой пластинки появятся связанные заряды. То же самое происходит, если пластинку подвергнуть растяжению вдоль оси х перпендикулярной оси z (рис. 6) [5].

При изменении знака деформации, т.е., при растяжении в направлении перпендикулярном оси z, или сжатии на гранях пластинки появятся связанные заряды другого знака. Качественные объяснения пьезоэлектрического эффекта на кристалле кварца представлено на рис. 30.

Для практического использования пьезоэлектрического эффекта на грани пластинки накладывают металлические обкладки. Если эти обкладки включить в замкнутую цепь, то при изменениях деформации кристалла в цепи будут возникать импульсы тока. Такие процессы протекают, например, в пьезоэлектрическом микрофоне, где знакопеременная деформация пластинки под действием звуковой волны преобразуется в переменный ток той же частоты.

Рис. 7

Наряду с прямым пьезоэффектом у пьезокристаллов наблюдается эффект3, заключающийся в том, что поляризация под действием электрического поля сопровождается механическими деформациями кристалла. Если на металлические обкладки пьезоэлектрической пластинки подать переменное электрическое напряжение, то пластинка будет попеременно растягиваться и сжиматься вдоль оси X, в ней возбудятся механические колебания. Эти колебания станут особенно интенсивными, если частота переменного тока, совпадает с собственной (резонансной) частотой пластинки. Такие настроенные в резонанс пьезоэлектрические пластинки используются для возбуждения ультразвуковых волн, для стабилизации частоты генераторов электрических колебаний в радиотехнике и т.п..

Обратный пьезоэлектрический эффект следует отличать от электрострикции, которая имеет место во всех диэлектриках – твердых, жидких и газообразных. Пьезоэлектрический эффект возникает только в некоторых кристаллах. Деформация при электрострикции зависит от поля квадратично и при изменении направления поля знак не меняет. Пьезоэлектрический эффект зависит от поля линейно и при изменении его направления меняет знак. В ходе работы были изучено влияние электростатического поля на проводники и диэлектрики; свойства и особенности проводников и диэлектриков.

Мы выяснили, что: взаимодействие электрических зарядов объясняется тем, что вокруг каждого заряда существует электрическое поле. Электрическое поле заряда – это материальный объект, оно непрерывно в пространстве и способно действовать на другие электрические заряды. Электрическое поле неподвижных зарядов называется электростатическим. Электростатическое поле создается только электрическими зарядами, существует в пространстве, окружающем эти заряды и неразрывно с ними связано.

Проводниками называются тела, способные пропускать через себя электрические заряды. Это свойство проводников объясняется наличием в них свободных носителей заряда. Примерами проводников могут быть металлы и растворы электролитов.

При внесении в электрическое поле проводника свободные заряды в нем приходят в движение. Перераспределение зарядов вызывает изменение электрического поля. Движение зарядов прекращается только тогда, когда напряженность электрического поля внутри проводника становится равной нулю. Явление разделения разноименных зарядов в проводнике, помещенном в электрическое поле, называется электростатической индукцией.

Свободные заряды перестают перемещаться вдоль поверхности проводящего тела при достижении такого распределения, при котором вектор напряженности электрического поля в любой точке перпендикулярен поверхности тела. Поэтому в электрическом поле поверхность проводника любой формы является эквипотенциальной поверхностью.

Напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю, т.е. поле внутри проводника отсутствует. Это используется в технике: для экранирования электроизмерительных приборов от влияния внешних электрических полей их заключают в проводящие корпуса. Весь статический заряд проводника распределен по его поверхности. Но заряд, сообщенный проводнику, распределится по его поверхности неравномерно. Заряды скапливаются на выступах или остриях. Чем больше кривизна поверхности, тем больше поверхностная плотность заряда. Поверхностной плотностью заряда называется физическая величина, равная отношению заряда к площади, по которой он распределен.

Диэлектриками называются вещества, которые не могут проводить через себя электрические заряды. Это объясняется отсутствием в них свободных зарядов. Тела, изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами. Если диэлектрик внести в электрическое поле, то перераспределения зарядов не произойдет, т. к. в диэлектрике нет свободных носителей заряда. Оба конца диэлектрика будут нейтральны. Притяжение незаряженного тела из диэлектрика к заряженному телу объясняется тем, что в электрическом поле происходит поляризация диэлектрика, т. е. смещение в противоположные стороны разноименных связанных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества [2], [3], [4], [5].

К неполярным относятся диэлектрики, в атомах или молекулах которых центр отрицательно заряженного электронного облака совпадает с центром положительного атомного ядра. Например, инертные газы, кислород, водород, бензол. Полярные диэлектрики состоят из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Например, спирты, вода. Их молекулы можно рассматривать как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Такую в целом нейтральную систему называют электрическим диполем.

Литература:

1. Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.

2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборо-строительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.

3. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы: Учебник для вузов.-7-е изд., Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. –304 с.,ил.

4. Коробейников С.М. Диэлектрические материалы: Учебное пособие, Новосибирск, НГТУ, 2000, 67 с.

5. «Элементарный учебник физики под редакцией академика Г. С. Ландсберга - Том II – электричество и магнетизм». Москва, «Наука» 1972 год.

Просмотров работы: 21491