Речовина є різноманітною за своїми електричними властивостями. Найбільш поширеними є провідники и діелектрики. У діелектриках (ізоляторах) немає вільних електричних зарядів.
Download ReportTranscript Речовина є різноманітною за своїми електричними властивостями. Найбільш поширеними є провідники и діелектрики. У діелектриках (ізоляторах) немає вільних електричних зарядів.
Речовина є різноманітною за своїми електричними властивостями. Найбільш поширеними є провідники и діелектрики. У діелектриках (ізоляторах) немає вільних електричних зарядів. Вони складаються з нейтральних атомів чи молекул. Заряджені частинки в нейтральному атомі звязані один з одним і не можуть переміщуватися під дією електричного поля по всьому об'єму діелектрика. Основна відмінність провідників – наявність вільних зарядів (електронів), які беруть участь у тепловому русі та можуть переміщуватися по всьому об'єму провідника. Типові провідники – метали. Диполь в електричному полі r E l E q a r a l - плече диполя p ql q Електричним диполем називається система двох однакових за величиною E різнойменних точкових зарядів +q і –q, відстань l між якими значно менша за відстань до всіх точок, в яких визначається поле системи. Пряма, що проходить через обидва заряди, називається віссю диполя. Проведемо вектор від від’ємного заряду до додатного. З рис. видно, що . l Можна довести, що у вибраній точці l 2a - електричний момент диполя p cos r , 4 0 r 2 1 1 p 2 E r , 1 cos 3 4 0 r p cos r , 4 0 r 2 1 1 p 2 E r , 1 cos 3 4 0 r Потенціал і напруженість електричного поля на осі диполя 1 p II 2 4 0 r 0 1 2p EII 4 0 r 3 ; Потенціал і напруженість на прямій, що проходить через центр диполя перпендикулярно до його осі 0 2 1 p E 3 4 0 r У зовнішньому електричному полі на диполь діє момент сили q F p q M pE sin E Потенціальна енергія диполя у зовнішньому магнітному полі WП pE F Усі молекули діелектрика – електрично нейтральні: сумарний заряд електронів та атомних ядер, яку входять до складу молекули дорівнює нулю. Але молекула має електричні властивості. У першому наближенні молекулу можна розглядати як електричний диполь з електричним моментом p ql , де q – сумарний позитивний заряд усіх ядер у молекулі l - плече диполя (вектор проведений з центра тяжіння електронів у молекулі в центр тяжіння позитивних зарядів атомних ядер. Під дією зовнішнього електричного поля усередині діелектрика виникає внутрішнє електричне поле зв'язаних зарядів, спрямоване проти зовнішнього. Тому, поле в речовині діелектрика істотно зменшується. Для характеристики цих властивостей діелектриків уводять поняття діелектричної проникності E0 E E Полярні і неполярні діелектрики Діелектриками називають тіла, що не проводять електричного струму. Порцеляна, хімічно чиста вода, гази є діелектриками. У діелектриках на відміну від провідників немає вільних носіїв заряду – заряджених частинок, які б могли почати упорядковано рух під дією електричного поля. Заряди, які не можуть вільно переміщуватися в об’ємі тіла , називаються зв’язаними. Зв’язані заряди у зовнішньому електричному полі поводять себе, як диполі. Діелектрики, молекули яких не є диполями у відсутність зовнішнього електричного поля, називають неполярними. Це H2 , N2 , O2 , CCl4 Коли будь-який діелектрик потрапляє в електричне поле, воно змінює відстань між дипольними зарядами або обертає дипольні моменти молекул. Внаслідок у речовині з’являється індукований дипольний момент. Виникнення індукованих дипольних моментів молекул під дією електричного поля називається поляризацією речовини. А речовину в такому стані називають поляризованою. Орієнтаційний механізм поляризації полярного діелектрика Поляризація полярних діелектриків значно залежить від температури, оскільки тепловий рух молекул є дезоріентуючим фактором Електронний або пружний механізм поляризації проявляється при поляризації неполярних діелектриків, молекули яких не мають у відсутність зовнішнього поля дипольного моменту Сумарна напруженість зовнішнього електричного поля в діелектрику стає меншою за напруженість зовнішнього електричного поля E E0 Eзв Індукований дипольний момент кожної молекули ідеального діелектрика при невеликій напруженості електричного поля прямо пропорційний сумарній напруженості електричного поля в тих точках, де знаходиться молекула e, мол pe e, мол 0 E0 - діелектрична сприйнятливість молекули. Мірою поляризації діелектрика є вектор поляризації. Вектор поляризації – це фізична величина, яка дорівнює сумарному дипольному електричному моменту усіх молекул в одиниці об’єму n речовини P p i 1 V ei Вектор поляризації прямо пропорційний напруженості електричного поля в речовині P 0 E Електричне поле зв’язаних зарядів подібне до поля, утвореного двома різнойменно зарядженими площинами, розміщеними у вакуумі E зв зв 0 P зв Напруженість електричного поля всередині діелектрика визначається напруженістю зовнішнього електричного поля і напруженістю зв’язаних зарядів всередині діелектрика зв E E0 0 E E0 Eзв 0 E 0 E0 зв 0E D P Зв’язок між вектором поляризації і вектором електричного зміщення. D 0E P Знайдемо зв’язок між діелектричною проникністю речовини і діелектричною сприйнятливістю. D 0E Для діелектрика згідно з визначенням D 0E P Звідси P 0 E тоді D 0 E 0 E 1 При підвищенні температури збільшується ступінь теплової розорієнтування дипольних моментів молекул, вектор поляризації зменшується. Діелектрична проникність речовини залежить від температури і від частоти зовнішнього електричного поля. Зменшення поля в речовині діелектрика між пластинами конденсатора приводить до зменшення різниці потенціалів, а значить до збільшення електричної ємності в раз. Тому діелектрики використовують як прокладки в конденсаторах для збільшення ємності конденсаторів. ТЕОРЕМА ГАУСА ДЛЯ ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОГО ПОЛЯ В ДІЕЛЕКТРИКУ Потік вектора електричного зміщення через будь-яку замкнуту поверхню в діелектрику дорівнює алгебраїчній сумі сторонніх зарядів, які знаходяться усередині цієї поверхні n D DdS qi S i 1 Вектор електричного зміщення D 0 E ПРОВІДНИКИ В ЕЛЕКТРИЧНОМУ ПОЛІ У провідниках є «вільні» заряди (електрони в металах, іони в електролітах E E і газах). У відсутність електричного поля нерухомі позитивні іони і вільні негативні + електрони взаємно компенсуються. При + внесенні провідника в електричне поле E 0 + E вільні електрони починають рухатися і будуть рухатися доти, поки поле усередині провідника не стане дорівнювати нулю. Нескомпенсовані заряди можуть розташовуватися тільки на його поверхні. Вектор напруженості електричного поля поблизу провідника завжди спрямований вздовж нормалі до неї. У провідниках, поміщених в електричне поле, наводяться (індукуються) заряди протилежних знаків. Поверхня провідника є еквіпотенціальною поверхнею. Явище електростатичної індукції – це перерозподіл зарядів у провіднику під впливом зовнішнього електростатичного поля. Заряди, які при цьому виникають у провіднику дорівнюють одне одному за модулем, але протилежні за знаками, називають індукованими зарядами. Індуковані заряди зникають зразу видалення провідника з електричного поля. E після Повне електростатичне поле всередині провідника дорівнює нулю, а потенціали у всіх точках однакові та дорівнюють потенціалу на поверхні провідника. Заземлення Електростатичний захист – чутливі до електричного поля прилади для виключення впливу поля поміщують у металічні ящики Оскільки поверхня провідника є еквіпотенціальною - силові лінії біля поверхні перпендикулярні до неї ЕЛЕКТРОЄМНІСТЬ. КОНДЕНСАТОРИ Відокремленим провідником називають провідник, який знаходиться так далеко від інших тіл, що впливом їх електричних полів можна знехтувати. Характер розподілу зарядів по поверхні відокремленого провідника залежить тільки від форми поверхні провідника. Потенціал зарядженого відокремленого провідника можна знайти з принципа суперпозиції 1 4 0 dS S r Інтеграл залежить тільки від форми та розмірів провідника, отже потенціал відокремленого провідника пропорційний його заряду q C Ємність відокремленого провідника C q Електрична ємність відокремленого провідника залежить від його форми та розмірів, а також від діелектричних властивостей оточуючого середовища. Знайдемо електричну ємність провідникової кулі (сфери). Відомо, що E grad Напруженість електричного поля зарядженої кулі на відстані r Er R тоді q 4 0 r 2 Er dr 0 q 4 0 R Таким чином, електрична ємність кулі C 4 0 R R Внаслідок електростатичної індукції електроємність невідокремленого провідника завжди більша за електричну ємність того самого але відокремленого провідника. Це є основою принципу дії конденсаторів. Два провідники, між якими є електричне поле, усі силові якого починаються на одному провіднику і закінчуються на іншому, називаються конденсатором, а самі провідники – обкладинками конденсатора. У простому конденсаторі заряди на обкладинках рівні за величиною, але протилежні за знаком. Електрична ємність конденсатора – це фізична величина, що показує, який заряд накопичується на обкладинках конденсатора при наданні йому одиничної різниці потенціалів: q q Кл C 1Ф C В U Поле плоского конденсатора Ідеалізоване уявлення поля плоского конденсатора Розрізняють за формою провідних поверхонь плоскі, циліндричні і сферичні (кульові) конденсатори. Плоский конденсатор складається з двох паралельних металевих пластин, які розміщуються на близькій відстані одна від одної. Як було визначено раніше, напруженість електричного поля такого конденсатора E S E 0 d Тоді різниця потенціалів d d qd Ex dx dx 0 0 0 0 S 0 d Звідси отримаємо ємність плоского конденсатора C 0 S Ємність сферичного конденсатора d 4 0 R1 R2 C R2 R1 З'єднання конденсаторів C1 C2 C3 C4 С1 1 2 3 С2 Сn 1 2 ... n n q qi i 1 n C Ci i 1 Cn n q q1 q2 q3 q4 ... qn n i i 1 1 n 1 c i 1 ci Енергія електричного поля Процес зарядки конденсатора Надання конденсатору електричного заряду пов'язане з виконанням роботи. Для переносу малого заряду з однієї обкладинки на іншу зовнішні сили мають dq виконати роботу q 2 qdq qdq q dA dq A C C 2C 0 Відповідно електрична енергія зарядженого конденсатора q 2 C 2 CU 2 qU WE 2C 2 2 2 Для однорідного електричного поля конденсатора E const E d Ємність плоского конденсатора C 0 S d C 2 0 S 2 2 1 WE E d 0 E 2V 2 2d 2 S d V - об’єм поля конденсатора Об'ємна густина енергії електричного поля dW w dV 1 1 2 w 0 E ED 2 2 Енергія електричного поля 1 2 WE wdV 0 E dV 2 V V Дж w 3 м Дати коротку відповідь на нижченаведені питання 1 Електричним диполем називається система: а) двох однакових за величиною різнойменних точкових зарядів ; б) двох однакових за величиною однойменних точкових зарядів ; в) двох будь-яких точкових зарядів . 2 Вільних зарядів немає в: а) провідниках; б) напівпровідниках; в) діелектриках. 3 В речовині виникає внутрішнє електричне поле спрямоване: а) проти зовнішнього; б) паралельно зовнішньому. 4 В діелектриках електричне поле: а) підсилюється; б) послаблюється; в) не змінюється; г) дорівнює нулю. 5 В провідниках електричне поле: а) підсилюється; б) послаблюється; в) не змінюється; г) дорівнює нулю. 6 Молекули полярних діелектриків а) є диполями; б) не є диполями. 7 Вкажіть одиниці вимірювання вектора поляризації. 8 Запишіть 1Ф через основні одиниці СІ 9 При паралельному з'єднанні конденсаторів заряди на їх обкладинках а) однакові; б) потрібно додавати. 10 Напруженість електричного поля збільшилася вдвічі. Як змінилася його обємна густина?