Діелектрики у зовнішньому електричному полі

Діелектрики. Поляризація діелектриків

  При внесенні діелектрика в зовнішнє електричне поле Е₀ в ньому виникає перерозподіл зарядів, які входять до складу атомів або молекул. В результаті такого перерозподілу на поверхні діелектричного зразка появляються надлишкові нескомпенсовані зв’язані заряди. Всі заряджені частинки, які утворюють макроскопічні зв’язані заряди, як і раніше входять до складу своїх атомів.

Звязані заряди створюють електричне поле Е’ яке всередині діелектрика направлено противополежно вектору напруженості Е₀  зовнішнього поля. Цей процес називають поляризацією діелектрика. В результаті повне електричне поле 

Е = Е₀ + Е’  

всередині діелектрика виявляється по модулю меншим зовнішнього поля. 

Фізична величина, яка дорівнює відношенню модуля напруженості Е₀ зовнішнього електричного поля в вакуумі до модуля напруженості Е повного поля в однорідному діелектрику, називають діелектричною проникністю речовини. 

ε = Е₀/Е

Існує декілька механізмів поляризації діелектриків. Основними з них є орієнтаційна і електронна поляризації. Ці механізми проявляються зазвичай при поляризації газоподібних, рідинних і деяких твердотільних діелектриків.

Електрична ємність

Електроємність. Конденсатори

   

Конденсатори - "двоногі марсіанчики"

Якщо двом ізольованим провідникам надати заряди q₁ і q₂, то між ними виникне деяка різниця потенціалів Δφ, яка залежить від величин зарядів і геометрії провідників. Різницю потенціалів Δφ між двома точками в електричному полі часто називають напругою і позначають літерою U. Найбільший практичний інтерес має той випадок, коли заряди провідників однакові по модулю і протилежні за знаком: q₁ = – q₂ = q. В цьому випадку можно ввести поняття електричної ємності.

Електричною ємністю системи з двох провідників називають фізичну величину, яка визначається як відношення заряду q одного з провідників до різниці потенціалів Δφ між ними:

 С= q/Δφ = q/U

В системі СІ одиниця електроємності називається фарада (Ф):

1Ф = 1Кл/1В

Величина електроємності залежить від: 

• форми,
• розмірів провідників та 
• властивостей діелектрика, який розділяє провідники.

Електростатична система одиниць СГСЕ

Електростатична система одиниць (СГСЕ)

   Розв’язуючи задачі з електростатики слід вміло користуватися одиницями вимірювання електростатичних величин в системі СГСЕ.

[закон Кулона:    

СІ:           F = kqQ/R² = qQ/4πε₀∙R²; 
СГС:       F = qQ/R².                       ]

• За одиницю заряду в електростатичній системі одиниць (1 одиниця заряду СГСЕ_q) беруть такий заряд, який взаємодіє з рівним йому зарядом у вакуумі з силою 1 дина на відстані 1 см:

1 СГСЕ_q = 1см∙дин^1/2 = г^1/2∙см^3/2∙сек^-1.

1 Кл = 3∙10⁹ СГСЕ_q.

• За одиницю напруженості електростатичного поля в системі СГСЕ беруть напруженість такого поля, яке діє на 1 одиницю СГСЕ_q з силою 1 дина:

1 одиниця СГСЕ_Е = 1 дина/1 СГСЕ_q = г^1/2∙см^-1/2∙сек^-1;

1Н/Кл = 10⁵ г∙см∙сек^-2/3∙10⁹ г^1/2∙см^3/2∙сек^-1 = 1/(3∙10⁴) СГСЕ_Е.

Провідники в електричному полі

Провідники та  діелектрики в електричному полі

Мал. 1 Електростатична індукція

  Речовини, внесені в електричне поле, можуть суттєво змінити його. Це пов’язано з тим, що речовина складається з заряджених частинок. При наявності зовнішнього поля відбувається перерозподіл заряджених частинок, і в речовині виникає власне електричне поле. Повне електричне поле Е складається з зовнішнього поля Е₀ і  внутрішнього поля Е’ яке створюють заряджені частинки речовини.

Загалом речовини різноманітні за своїми електричними властивостями. Найбільш широкими класами  речовин є провідники і діелектрики.

Головна особливість провідників – наявність вільних  зарядів (електронів), які беруть участь в тепловому русі і можуть пересуватися по всьому об’єму провідника під дією електричного поля. Типові провідники – метали.

Робота та потенціал в електриці

1°. Робота в електричному полі.

Мал. 1 Робота електричних сил при малому переміщенні
Δl заряду q.

При переміщенні пробного заряду q в електричному полі електричні сили виконують роботу. Ця робота при малому переміщенні Δl дорівнює (мал. 1): 

ΔA = F∙Δl∙cosα = qEΔlcosα = qE_lΔl.

Електричне поле володіє важливою властивістю:

Робота сил електростатичного поля при переміщенні заряду з одної точки поля в іншу не залежить від форми траєкторії, а визначається лише положенням початкової і кінцевої точок і величиною заряду.

Подібну властивість має гравітаційне поле, і це зрозуміло, оскільки гравітаційні та кулонівські сили описуються  подібними співвідношеннями.

Наслідком незалежності роботи від форми траєкторії є наступне твердження:

Робота сил електростатичного поля при переміщенні заряда по будь-якій замкненій траєкторії дорівнює нулю.

Силові поля, які мають таку властивість, називають потенціальними або консервативними.

ДКР 10 ІІ-й семестр

ДКР 10-Б  (ІІ-й семестр)

Там, посередині веселки, довгоочікувані КАНІКУЛИ! Бачиш?

ДР-10 (2,12) - легкі
 

6.4.1; 6.4.2; 6.4.3 а),б); 6.4.4 а),б),в);  

6.4.5; 6.4.6; 6.4.7; 6.4.9 а),б),в),г),д).

ДКР-14 (2,14) - Савченко

6.3.26; 6.3.33; 6.3.35; 6.3.36; 6.3.39; 6.4.11;
6.5.5; 6.6.6; 6.6.7; 6.6.11; 6.6.12; 6.6.13.

Теорема Гауса

Розрахунок електричних полів за допомогою теореми Гауса

  Експериментально встановлені закон Кулона і принцип суперпозиції принципово дозволяють вичерпно описати електростатичне поле заданої системи зарядів в вакуумі. Однак, властивості електростатичного поля можна виразити в іншій, більш загальній формі, без допомоги уявлення про кулонівське поле точкового заряду.

Мал. 1 До визначення елементарного потоку ΔΦ .

Введемо нову фізичну величину, яка характеризує електричне поле – потік Φ вектора напруженості  електричного поля. Нехай в просторі, де існує електричне поле, розташована деяка достатньо мала площадка ΔS. Добуток модуля вектора Е на площу ΔS і на косинус кута α між вектором Е та нормаллю n до площадки називають елементарним потоком вектора напруженості через площадку ΔS (мал.1): 

ΔΦ = EΔS cos α = EnΔS,

де E_n – модуль нормальної складової поля Е.