Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Проводники и диэлектрики в электрическом полеЭлектризация тел без непосред­ственного контакта.

Проводниками называются такие материалы, в ко­торых имеются свободные носители электрических зарядов. Примерами могут служить металлические тела в твердом и в жидком состоянии, жидкие растворы и расплавы элект­ролитов.

Проводимость металлов обнару­живается, если соединить с помощью металлической проволоки заряжен­ный электрометр с незаряженным. Опыт показывает, что по металлической проволоке часть за­рядов с первого электрометра пере­ходит на второй.

Наличие свободных электриче­ских зарядов в проводниках можно обнаружить в следующих опытах. Установим на острие металлическую трубу. Соединив проводником трубу со стержнем электрометра, убедимся в том, что труба не имеет электри­ческого заряда.

Теперь наэлектризуем эбонитовую палочку и поднесем к одному концу трубы. Труба поворачивается на острие, притягиваясь к заряжен­ной палочке. Следова­тельно, на том конце трубы, который расположен ближе к эбонитовой па­лочке, появился электрический за­ряд, противоположный по знаку заряду палочки.

По закону сохранения электри­ческого заряда на теле, если нет передачи заряда от других тел, не может появиться электрический за­ряд одного знака. Если на одной части проводника под действием электрического поля заряженной па­лочки появился положительный электрический заряд, то на другой его части должен появиться равный но модулю отрицательный электри­ческий заряд. Проверим это на опыте.

Поместим в электрическое поле два соединенных одинаковых метал­лических диска и разделенного в электрическом поле их на некоторое расстояние друг от друга. Затем каждый диск вынесем из поля и соединим пооче­редно со стержнем электрометра. После прикосновения к электрометру первого диска стрелка электрометра отклоняется, после прикосновения второго диска стрелка возвращается к нулевому делению шкалы. Таким образом, опыт доказывает, что две части металлического тела, разделенного в электрическом поле, дей­ствительно приобрели под действием поля электрические заряды, равные по модулю и противоположные по знаку.

Электрическое поле внутри проводящего шара.

При внесении проводника в электрическое поле свободные заряды в нем приходят в в движение, которое прекращается, когда напряженность поля внутри проводника становится равной нулю. В том, что внутри проводника, по­мещенного в электростатическое по­ле, электрическое поле отсутствует, можно убедиться на опыте.

При поднесении заряженного те­ла к стержню электрометра его стрел­ка отклоняется, так как электриче­ское поле вызывает разделение за­рядов в стержне. Накроем стержень электрометра полым метал­лическим шаром и вновь поднесем заряженное тело. Теперь стрелка электрометра не отклоняется. Следовательно, электри­ческое поле внутри полого металли­ческого шара отсутствует.

Если наэлектризовать проводящее тело, то силы отталки­вания, действующие между одноименными зарядами, выталкивают их на поверхность тела. Покинуть поверхность проводника свободные электрические заряды не могут, так как на них действуют кулоновские силы притяжения зарядов противо­положного знака, имеющихся в проводнике.

Свободные заряды перестают пе­ремещаться вдоль поверхности про­водящего тела при достижении тако­го их распределения, при котором вектор напряженности электрическо­го поля в любой точке перпендику­лярен поверхности тела. Поэтому в электрическом поле поверхность про­водящего тела любой формы явля­ется эквипотенциальной поверхностью. Все точки внутри проводника имеют одинаковый потенциал, равный потенциалу на его поверхности.

Электрическое поле заряженного проводящего шара.

Так как поверх­ность проводника эквипотенциальна, линии напряженности электрическо­го поля заряженного проводящего шара выходят из поверхности шара перпендикулярно ей. Если заряд на поверхности шара равен q, то элект­рическое поле вне шара такое же, как поле точечного заряда q, нахо­дящегося в центре проводящего шара. Внутри проводящего шара напряженность электрического поля равна нулю.

Измерение разности потенциалов с помощью электрометра.

Так как поверхность любого проводника яв­ляется эквипотенциальной поверх­ностью, то при соединении провод­ником стержня электрометра с одним заряженным телом, а корпуса элект­рометра с другим телом разность потенциалов между стержнем и кор­пусом электрометра будет равна раз­ности потенциалов между телами, с которыми они соединены. На заряженную стрелку электромет­ра действует сила, прямо пропорцио­нальная заряду стрелки и напряжен­ности электрического поля, в котором эта стрелка находится. Напряжен­ность электрического поля пропор­циональна разности потенциалов между стержнем и корпусом электро­метра. Поэтому сила, действующая на стрелку, пропорциональна разности потенциалов между стержнем и корпусом электрометра.

Соединяя стержень и корпус электрометра проводниками с различными телами, можно по откло­нению стрелки электрометра опреде­лить разность потенциалов между телами. Соединив проводником стер­жень электрометра с заряженным проводящим телом, а корпус электро­метра — с Землей, можно измерить разность потенциалов между поверх­ностью заряженного тела и Землей. Опыт показывает, что при соединении стержня электрометра с различными точками поверхности проводящего тела показания электрометра оста­ются неизменными. Сле­довательно, поверхность проводяще­го тела действительно является эк­випотенциальной поверхностью.

Диэ­лектриками, или изоляторами, называются материалы, в которых нет свободных электрических зарядов. К диэлектрикам относятся воздух, стекло, плексиглас, эбонит, слюда, фар­фор, сухое дерево. Соединив заря­женный электрометр с незаряжен­ным с помощью стеклянной трубки, можно убедиться, что электрические заряды от одного электрометра к дру­гому по стеклу не переходят.

Исследуем свойства диэлектри­ков в электрическом поле. Установим деревянную линейку на подставку, обеспечивающую ее свободное вра­щение вокруг вертикальной оси, и выполним такой же опыт, как с ме­таллической трубой и заряженной палочкой. Опыт показывает, что не­заряженные диэлектрики притягива­ются к заряженным телам подобно тому, как это происходит с проводниками. Однако при разделе­нии тела из диэлектрика в электри­ческом поле на две части каждая из них оказывается нейтральной. Следовательно, в диэлектрике раз­деление зарядов не происходит, так как в нем нет свободных зарядов. Чем же объяснить притяжение ди­электрика к заряженному телу?

Оказывается, в электрическом по­ле происходит поляризация диэлект­рика, т. е. смещение в противополож­ные стороны разноименных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества. На поверхности диэлект­рика возникают связанные заряды, неспособные свободно перемещаться по диэлектрику в отличие от свобод­ных зарядов в проводниках.

Вектор напряженности Еп элект­рического поля, создаваемого связанными зарядами на поверхности диэлектрика, направлен внутри диэлектрика противоположно вектору напряженности Е0 внешнего элект­рического поля, вызывающего по­ляризацию. Напряжен­ность электрического поля внутри бесконечного пространства, полно­стью заполненного диэлектриком, оказывается равной Е = Е0 + Еп, или, по модулю, Е = Е0-Еп. Физическая величина, равная отношению модуля напряженности Е0 однородного электрического поля в вакууме к модулю напряженности Е электрического но­ля в однородном диэлектрике, на­полняющем это поле, называется диэлектрической проницаемостью вещества.

Электронная поляризация.

Мно­гие диэлектрики состоят из неполярных атомов или молекул. В них внутримолеку­лярные заряды расположены симмет­рично, так что центр положительно заряженного ядра совпадает с цент­ром отрицательного электрическо­го заряда электронной оболочки. В электрическом поле центр электрического заряда электронной оболочки смещается относительно положительно заряженной ядра, так как силы приложенные к ядру и оболочке, противоположно направлены. В результате смещения центра отрицательного заряда отно­сительно центра положительного за­ряда атом становится диполем.

Эти диполи в электрическом поле располагаются вдоль линий напря­женности, обращая свои отрицательно заряженные концы к той поверхности, в которую входят линии на­пряженности внешнего, поля. На по­верхностях образца, перпендикуляр­ных линиям напряженности, остают­ся некомпенсированными заряды концов крайних диполей. Они-то и создают поверхностные (поляризационные) заряды (связанные заря­ды) и поле, напряженность Еп ко­торого уменьшает напряженность внешнего поля внутри диэлектрика. Рассмотренный механизм электрон­ной поляризации является универ­сальным, поскольку смещение электронных, оболочек происходит в ато­мах, молекулах или ионах любого диэлектрика.

Ионная поляризация.

Другой раз­новидностью деформационной поля­ризуемости является ионная поля­ризация. Кристаллические решетки многих ионных диэлектриков типа NaCl можно рассматривать как состоящая из двух подрешеток, каж­дая из которых образована ионами одного знака, вставленных одна в другую. В отсутствие электрического поля каждая кристаллическая ячей­ка и кристалл в целом нейтральны и неполярны. Во внешнем электрическом поле ионы подрешеток сме­щаются друг относительно друга в противоположных направлениях, вследствие чего на противоположных гранях кристалла будут преобладать ионы одного знака, т.е. кристалл в целом поляризуется.

Ионная поляризация в чистом виде не наблюдается, ей всегда сопутствует электронная поляризация.

Ориентационная поляризация.

Многие диэлектрики (H2O, H2S) образованы из молекул, каждая из которых является электрическим диполем. Такие молекулы и образован­ные ими диэлектрики называются полярными.

При отсутствии внешнего элект­рического поля молекулярные диполи из-за теплового движения располо­жены хаотично. Когда, полярный диэлектрик попадает в электрическое поле, происходит поворот его молекулярных диполей в таком на­правлении, чтобы их оси совпадали с направлением линий напряженно­сти. Но этому препятствует тепловое движение. В результате система по­лярных молекул в среднем приобре­тает некоторую преимущественную ориентацию, и диэлектрик в целом поляризуется. Такой механизм поля­ризации называют ориентационным.

Ориентационная поляризация ха­рактеризуется рядом особенностей. По мере увеличения напряженности электрического поля, казалось бы, может быть достигнуто такое состоя­ние, при котором практически все молекулярные диполи будут ориентированы и наступит состояние на­сыщения. Дальнейшее увеличение поляризации происходило бы за счет электронной или ионной поляриза­ции. Однако реально насыщение ни­когда не наступает.

Электронная и ионная поляри­зуемость от температуры не зависит. Ориентационная же поляризуемость убывает с ростом температуры. В самом деле, повышение температуры усиливает хаотическое движение час­тиц вещества и тем самым препят­ствует ориентации молекулярных ди­полей в электрическом поле.

Диэлектрическая проницаемость полярного диэлектрика в кристалли­ческом состоянии обычно меньше, чем в жидком.

Если диэлектрик находится в пе­ременном электрическом ноле, то он периодически переполяризуется. По­вороты полярных молекул и сдвиги ионов в решетке усиливают тепловое движение и приводят к повышению температуры вещества. Потери электрической энергии на нагревание диэлектрика называются диэлектриче­скими потерями. В реальных диэлект­риках имеется дополнительный ис­точник потерь: нагревание их токами проводимости.

При достаточно большой частоте переменного тока полярные молеку­лы не успевают ориентироваться, а ионы — смещаться. Поэтому у по­лярных диэлектриков и у диэлектри­ков с ионной решеткой увеличение частоты вызывает уменьшение поляризуемости и диэлектрической про­ницаемости. Этого не наблюдается у диэлектриков с чисто электронным механизмом поляризации.