Физики обнаружили материал, который может быть одновременно проводником и диэлектриком

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Внесение некоторого вещества в электрическое поле может привести к существенному его изменению; это обусловлено тем, что вещество составляют заряженные частицы. Если внешнее поле отсутствует, распределение частиц вещества происходит таким образом, что электрическое поле, которое они создают, в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. Если внешнее поле присутствует, заряженные частицы перераспределяются, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле E → включает в себя (согласно принципу суперпозиции) внешнее поле E 0 → и внутреннее поле E ‘ → которое создается заряженными частицами вещества.

Электрические свойства веществ обуславливают их многообразие. Самые широкие классы веществ – это проводники и диэлектрики.

Проводники

Отличительная черта проводников заключается в наличии свободных зарядов (электронов), принимающих участие в тепловом движении и способных осуществлять перемещение по всему объему проводника. Типичным примером проводников служат металлы.

Если внешнее поле отсутствует, то в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд будет компенсироваться положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, который внесен в электрическое поле, произойдет перераспределение свободных зарядов, следствием чего будет возникновение на поверхности проводника нескомпенсированных положительных и отрицательных зарядов (рис. 1 . 5 . 1 ). Описанный процесс носит название электростатической индукции, а возникающие на поверхности проводника заряды называют индукционными зарядами.

Индукционными зарядами создается свое собственное поле E ‘ → и оно компенсирует внешнее поле E 0 → во всем объеме проводника: E → = E 0 → + E ‘ → = 0 (внутри проводника).

Полное электростатическое поле внутри проводника есть нуль, а потенциалы во всех точках являются одинаковыми и равными потенциалу на поверхности проводника.

Рисунок 1 . 5 . 1 . Электростатическая индукция.

Все внутренние области проводника, который внесен в электрическое поле, остаются электронейтральными. Удаление некоторого объема, выделенного внутри проводника, а соответственно образование пустой полости, приведет к тому, что электрическое поле внутри полости станет равным нулю. На этом основана электростатическая защита – приборы, имеющие чувствительность к электрическому полю в целях исключения влияния поля помещают в металлические ящики (рис. 1.5.2).

Рисунок 1 . 5 . 2 . Схема электростатической защиты. Поле в металлической полости равно нулю.

Поскольку поверхность проводника эквипотенциальна, необходимо, чтобы силовые линии у поверхности являлись перпендикуляром к ней.

Диэлектрики

Диэлектрики (изоляторы) отличаются от проводников тем, что не имеют свободных электрических зарядов. Диэлектрики включают в себя нейтральные атомы или молекулы. Заряженные частицы в нейтральном атоме являются связанными друг с другом и не имеют способности к перемещению под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

Внесение диэлектрика во внешнее электрическое поле E 0 → вызовет возникновение в нем некоторого перераспределения зарядов, которые входят в состав атомов или молекул. Следствием этого перераспределения является появление на поверхности диэлектрического образца избыточных нескомпенсированных связанных зарядов. Все заряженные частицы, которые образуют макроскопические связанные заряды, все так же входят в состав своих атомов.

Связанные заряды образуют электрическое поле E ‘ → направленное внутри диэлектрика противоположно вектору напряженности E 0 → внешнего поля: данный процесс носит название поляризации диэлектрика.

Вследствие поляризации полное электрическое поле E → = E 0 → + E ‘ → = 0 внутри диэлектрика становится по модулю меньше внешнего поля E 0 → .

Диэлектрическая проницаемость вещества – это физическая величина, которая есть отношение модуля напряженности E 0 → внешнего электрического поля, создаваемого в вакууме, к модулю напряженности E → полного поля в однородном диэлектрике.

Известно несколько механизмов поляризации диэлектриков: основные — это ориентационная и электронная поляризации. Проявление этих механизмов происходит в основном при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.

Ориентационная или дипольная поляризация появляется, когда полярные диэлектрики состоят из молекул, у которых имеет место несовпадение центов распределения положительных и отрицательных зарядов. Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи.

Микроскопические электрические диполи – это нейтральная совокупность двух зарядов, являющихся равными по модулю и противоположными по знаку, расположенных на расстоянии друг от друга.

К примеру, дипольный момент имеет молекула воды, а также молекулы некоторых прочих диэлектриков ( H 2 S , N O 2 и т. д.).

Когда внешнее электрическое поле отсутствует, оси молекулярных диполей по причине теплового движения имеют хаотичную ориентацию, в связи с чем на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем является равным нулю.

Если внести диэлектрик во внешнее поле E 0 → , возникнет частичная ориентация молекулярных диполей. Вследствие этого поверхность диэлектрика получит нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле E ‘ → направленное навстречу внешнему полю E 0 → (рис. 1 . 5 . 3 ).

Рисунок 1 . 5 . 3 . Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика.

Поляризация полярных диэлектриков обладает сильной зависимостью от температуры, поскольку тепловое движение молекул выступает в качестве дезориентирующего фактора.

Электронный или упругий механизм возникает при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не имеют при отсутствии внешнего поля дипольного момента. Электрическое поле, воздействуя на молекулы неполярных диэлектриков, вызывает их деформацию – положительные заряды смещаются в направлении вектора E 0 → а отрицательные – в противоположном направлении. В итоге каждая молекула становится электрическим диполем, ось которого имеет направление вдоль внешнего поля. Поверхность диэлектрика получает нескомпенсированные связанные заряды, которые создают свое поле E ‘ → имеющее направление навстречу внешнему полю E 0 → Таким образом происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 1 . 5 . 4 ).

Деформация неполярных молекул, испытывающих влияние внешнего электрического поля, не имеет зависимости от теплового движения, т.е. поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры.

В качестве примера неполярной молекулы можно рассмотреть молекулу метана C H 4 , в которой четырехкратно ионизированный ион углерода C 4 – расположен в центре правильной пирамиды; в вершинах этой пирамиды — ионы водорода H + . Наложение внешнего электрического поля вызовет смещение иона углерода из центра пирамиды: в этом случае у молекулы возникнет дипольный момент, пропорциональный внешнему полю.

Рисунок 1 . 5 . 4 . Поляризация неполярного диэлектрика.

В электрическом поле E ‘ → связанных зарядов, которое возникает при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, происходит его изменение по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля E 0 → . В электрических полях значительной силы указанная закономерность может нарушаться: в таком случае получают проявление различные нелинейные эффекты. Для полярных диэлектриков в сильных полях возможно наблюдать эффект насыщения.

Эффект насыщения – это выстраивание всех молекулярных диполей вдоль силовых линий.

Когда диэлектрики неполярны, сильное внешнее поле, которое можно сравнить по модулю с внутриатомным полем, имеет возможность значимо деформировать атомы или молекулы вещества с изменением их электрических свойств. Но подобные явления почти никогда не наблюдаются, поскольку для этого необходимы поля, имеющие напряженность порядка 10 10 – 10 12 В / м . При этом гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.

Электронная поляризация – это процесс поляризации, при котором непарные молекулы получают деформацию электронных оболочек.

Этот механизм универсален, так как деформация электронных оболочек под влиянием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика.

Ионная поляризация – это поляризация твердых кристаллических диэлектриков, следствием которой является смещение ионов различных знаков, составляющих кристаллическую решетку, в противоположных направлениях при воздействии внешнего поля. В результате смещения на гранях кристалла образуются связанные (нескомпенсированные) заряды.

В качестве примера описанного механизма, можно рассмотреть поляризацию кристалла N a C l , в котором ионы N a + и C l – составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. При отсутствии внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла N a C l является электронейтральной и не обладающей дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки сместятся в противоположных направлениях, т. е. кристалл подвергнется процессу поляризации.

Когда происходит процесс поляризации неоднородного диэлектрика, связанные заряды могут появиться не только на поверхности, но и в объеме диэлектрика. В таком случае электрическое поле E ‘ → связанных зарядов и полное поле E → будут обладать сложной структурой, зависящей от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле _formula_ в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем E → точно верно лишь, когда речь идет об однородном диэлектрике, который заполняет все пространство, где создано внешнее поле. В частности:

В случае, когда в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд Q , напряженность электрического поля E → этого точечного заряда и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме. Запишем данное утверждение в виде формул:

E → = 1 4 π ε 0 · Q ε r 3 r → , φ = 1 4 π ε 0 Q ε r .

Что такое проводник и диэлектрик?


Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, из всего многообразия физических веществ в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока.

Что представляют собой проводники?

Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу.

Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.

Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод.

Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:

  • показатель сопротивления;
  • показатель электропроводности.

Сопротивление возникает из-за того, что электроны при движении испытывают столкновение с атомами и ионами, которые являются своеобразным препятствием. Именно поэтому проводникам присвоена характеристика электрического сопротивления. Обратной сопротивлению величиной является электропроводность.

Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.

Например кабельная продукция: медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминиевым.

Что представляют собой диэлектрики?

Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу.

Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы.

Диэлектрические предметы – это изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические материалы частично лишаются своих свойств.

Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач.

Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц.

Серебряные, золотые и платиновые изделия – очень хорошие проводники. Но их отрицательная характеристика, которая ограничивает использование, состоит в очень высокой стоимости.

Поэтому применяются такие вещества в сферах, где качество гораздо важнее цены, которая за него уплачивается (оборонная промышленность и космос).

Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками, при этом имеют не столь высокую стоимость. Следовательно, использование медных и алюминиевых проводов распространено повсеместно.

Читайте также  Регулятор скорости вращения вентиляторов 12в

Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют менее хорошие свойства, поэтому используются в основном в лампочках накаливания и нагревательных элементах высокой температуры. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электросхемы.

Диэлектрики также различаются между собой своими характеристиками и свойствами. Например, в некоторых диэлектрических материалах также присутствуют свободные электрически заряды, пусть и в небольшом количестве. Свободные заряды возникают из-за тепловых колебаний электронов, т.е. повышение температуры все-таки в некоторых случаях провоцирует отрыв электронов от ядра, что понижает изоляционные свойства материала. Некоторые изоляторы отличаются большим числом «оторванных» электронов, что говорит о плохих изоляционных свойствах.

Самый лучший диэлектрик – полный вакуум, которого очень трудно добиться на планете Земля.

Полностью очищенная вода также имеет высокие диэлектрические свойства, но таковой даже не существует в реальности. При этом стоит помнить, что присутствие каких-либо примесей в жидкости наделяет ее свойствами проводника.

Главный критерий качества любого диэлектрического материала – это степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической схеме. Например, если свойства диэлектрика таковы, что утечка тока совсем незначительная и не приносит никакого ущерба работе схемы, то диэлектрик является надежным.

Что такое полупроводник?

Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники. Главное отличие проводников заключается в зависимости степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника.

С ростом температуры электропроводность полупроводников растет, а степень сопротивления при этом падает. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. То есть, при достижении нулевой температуры полупроводники начинают вести себя как изоляторы.

Полупроводниками являются кремний и германий.

Электростатика: элементы учебной физики

Лекция 7. Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Настало время исследовать явления, происходящие при введении в электрическое поле проводников и диэлектриков. К этому моменту учащиеся уже владеют основными понятиями, изучили физические величины, законы электростатики и представляют себе их экспериментальное обоснование. Поэтому они готовы к анализу существующих фактов, выдвижению правдоподобных гипотез, построению теоретических моделей явлений, выводу следствий из предложенных моделей и их экспериментальному обоснованию.

Учебно-исследовательская деятельность теперь может быть организована главным образом в форме постановки и выполнения экспериментальных заданий. Это, разумеется, не исключает более серьёзных работ, направленных на создание новых учебных экспериментов. Большой интерес для учащихся может представить исследование в электрическом поле привычных для них твёрдых, жидких и газообразных объектов. Экспериментальные задания этого этапа помимо прочего должны способствовать углублению сформированных понятий напряжённости и потенциала электрического поля.

7.1. Проводники в электростатическом поле

Проводники отличаются от диэлектриков тем, что у них высока концентрация свободных носителей заряда. В металлах ими являются свободные электроны, которые в отличие от связанных электронов способны перемещаться по всему объёму тела. Появление свободных электронов обусловлено тем, что в атомах металлов валентные электроны слабо взаимодействуют с ядрами и легко утрачивают связи с ними. Поэтому металл представляет собой кристаллическую решётку, в узлах которой расположены положительные ионы, окружённые отрицательным электронным газом.

Внесём в электростатическое поле напряжённостью Е металлическое тело. В первый момент внутри проводника возникает поле той же напряжённости Е. Оно действует на свободные электроны, и те перемещаются против поля Е. По мере перераспределения электронов в проводнике возникает внутреннее поле E, направленное противоположно внешнему полю Е. Электроны перемещаются до тех пор, пока результирующее поле внутри проводника не станет равно нулю: Е = ЕE’ = 0.

Этот факт учащиеся уже неоднократно подтвердили экспериментом. Понятно, что замкнутая проводящая оболочка полностью экранирует находящуюся внутри неё область от внешних электрических полей, следовательно, может являться электростатической защитой.

7.2. Электростатическое изображение

Пусть два одинаковых по модулю и противоположных по знаку точечных заряда +q и –q находятся на некотором расстоянии друг от друга. Созданное ими электростатическое поле характеризуется системами взаимно перпендикулярных силовых линий и эквипотенциальных поверхностей. Одной из таких поверхностей является плоскость, проходящая через середину отрезка, соединяющего заряды. Потенциал этой плоскости равен нулю, т.к., согласно принципу суперпозиции, для точек, находящихся на равных расстояниях r1 = r2 от зарядов:

Теперь совместим с этой плоскостью тонкую проводящую пластину и заземлим её. Поле при этом не изменится, поскольку все точки пластины будут иметь одинаковый (нулевой) потенциал. Если убрать заряд –q, находящийся за проводящей пластиной, то поле перед ней останется прежним.

Отсюда следует, что, если к точечному заряду поднести тонкую проводящую заземлённую пластину, то электрическое поле между зарядом и пластиной будет в точности таким же, как поле, созданное реальным зарядом и его мнимым изображением противоположного знака в пластине, как в зеркале.

Метод электростатических изображений, не отличаясь универсальностью, всё же позволяет упростить решение многих задач.

7.3. Диэлектрики в электростатическом поле

У диэлектриков электроны связаны с атомами и не могут под действием электрического поля свободно перемещаться. Так как концентрация свободных носителей заряда ничтожно мала, электростатическая индукция отсутствует. Поэтому напряжённость поля внутри диэлектрика не обращается в нуль, а лишь в большей или меньшей степени уменьшается.

В этом можно убедиться, поставив следующие опыты. На электрометре закрепим металлическую пластину и зарядим её. Поднесём к заряженной пластине другую металлическую пластину и увидим, что показания электрометра уменьшились. Это объясняется тем, что за счёт электростатической индукции на ближайшей поверхности поднесённого проводника возникает заряд противоположного знака.

Теперь вместо металлической поднесём к заряженной пластине нейтральную диэлектрическую пластину. Вновь увидим, что показания электрометра уменьшились. Значит, и на поверхности диэлектрика в электрическом поле также возникают заряды. Отсюда следует, что диэлектрик, помещённый во внешнее электрическое поле, оказывает на него влияние, создавая своё электрическое поле, уменьшающее внешнее.

В электрическое поле заряженного шара внесём нейтральную диэлектрическую палочку на нити и обнаружим, что палочка поворачивается, располагаясь вдоль силовой линии поля. Значит, палочка становится диполем – концы её приобретают заряды противоположных знаков.

7.4. Полярные и неполярные диэлектрики

Если молекула состоит из двух ионов (K + Сl – ), один из которых положительный, а другой отрицательный, то центры распределения положительного и отрицательного зарядов не совпадают. Такие молекулы и состоящие из них диэлектрики называются полярными.

Если молекула состоит из одного или нескольких одинаковых атомов (например, Н2), то центры распределения отрицательного и положительного зарядов совпадают, и она называется неполярной молекулой, а диэлектрик – неполярным диэлектриком.

7.5. Поляризация диэлектриков

Неполярные атомы и состоящие из них молекулы нейтральны. Полярные молекулы в первом приближении можно считать диполями. Из-за теплового движения полярные молекулы ориентированы беспорядочно, поэтому заряд и напряжённость электрического поля в диэлектрике в среднем равны нулю.

Поместим полярный диэлектрик в однородное электростатическое поле E, созданное параллельными пластинами, которым сообщили заряды противоположных знаков. На диполи в однородном поле действует вращающий момент. В результате молекулы-диполи стремятся развернуться вдоль силовых линий. Чем больше напряжённость поля и ниже температура диэлектрика, а значит, и интенсивность хаотического движения, тем выше степень ориентации диполей.

При помещении в электрическое поле неполярных диэлектриков происходит деформация атомов, в результате чего центр распределения положительного заряда смещается по полю, а центр распределения отрицательного заряда – против поля. Так, неполярная молекула превращается в диполь, ось которого сонаправлена с полем, а длина определяется напряжённостью поля.

При внесении диэлектрика в электрическое поле вследствие переориентации или деформации молекул на его поверхностях возникают связанные электрические заряды. Это явление называется поляризацией диэлектрика.

Связанные заряды на поверхности тела создают внутри него электрическое поле E’, направленное противоположно внешнему полю E. Результирующая напряженность Е = E + E’ оказывается меньше E, т.е. Е = ЕE’ U/d. Диэлектрическую проницаемость диэлектрика определите по формуле

Демонстрационный эксперимент целесообразно провести так. Покажите учащимся лист стекла толщиной 4 мм, диэлектрическую проницаемость которого вы будете измерять. Собрав установку, включите высоковольтный источник, установите напряжение U = 0,5 кВ и прикоснитесь его выводами к стержню и корпусу электрометра. Стрелка прибора отклонится. Выключите источник и удалите из промежутка между электродами стеклянную пластину. Стрелка электрометра отклоняется больше. Запомните показание, электрометр разрядите, к нему подключите выводы высоковольтного источника, включите источник и повышайте напряжение до тех пор, пока стрелка электрометра не отклонится на то же число делений. По цифровому измерителю источника прочитайте значение напряжения U между электродами для случая, когда пластина удалена, и по формуле = U/U вычислите значение диэлектрической проницаемости. В наших опытах для пластины из оконного стекла толщиной 4 мм получилось U = 2,1 кВ, следовательно, диэлектрическая проницаемость стекла = 4,2.

Это совсем неплохой результат для демонстрационного опыта. Заметим, что лучше не использовать в качестве диэлектриков полимерные материалы, т.к. придётся специально избавляться от их случайной электризации или поляризации.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Что происходит в проводниках и диэлектриках при внесении их в электростатическое поле?

2. Предложите демонстрационный эксперимент, в котором учащиеся воочию убеждаются, что в проводнике имеются свободные носители заряда, а в диэлектрике они отсутствуют.

3. Детально объясните, почему для определения потенциала в точке поля необходимо использовать пламенный зонд. Возможно ли отказаться от пламени и чем его в таком случае можно заменить?

4. Предложите простой способ, позволяющий в демонстрационным опыте нарисовать эквипотенциальные линии исследуемого электростатического поля.

5. Предложите методику формирования понятия эквипотенциальности поверхности проводника в электростатическом поле.

6. Какие процессы происходят в воздухе вокруг острия, имеющего значительный потенциал относительно Земли?

7. В чём физическая сущность метода электростатических изображений?

8. Детально объясните результат опыта по поляризации диэлектрической плёнки, помещённой в электрическое поле.

9. Оцените дидактическую эффективность методики определения диэлектрической проницаемости стекла непосредственно на уроке.

10. С какой целью и где применяются электреты в современных условиях?

Беляев И.П., Дружинин В.П., Шефер Н.И. Демонстрация электретных свойств диэлектриков. – Физика в школе, 1981, № 6.

Беляев И.П., Дружинин В.П., Шефер Н.И. Исследование электретных свойств диэлектриков. – Физика в школе, 1981, № 3.

Беляев И.П., Дружинин В.П., Рожков И.Н. Электретный эффект: Учебно-методическое пособие. – Оренбург: Изд-во ОГПИ, 1997.

Калашников С.Г. Электричество. – М.: Физматлит, 2004.

Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы. Т. 2. Электричество. Оптика. Физика атома: Под ред. А.А.Покровского. – М.: Просвещение, 1972.

Шахмаев Н.М., Шилов В.Ф. Физический эксперимент в средней школе: Механика. Молекулярная физика. Электродинамика. – М.: Просвещение, 1989.

Продолжение см. в № 24/07

Физики обнаружили материал, который может быть одновременно проводником и диэлектриком

Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. 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 складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля и внутреннего поля создаваемого заряженными частицами вещества.

Читайте также  Бесщеточный электродвигатель своими руками

Вещество многообразно по своим электрическим свойствам. Наиболее широкие классы вещества составляют проводники и диэлектрики .

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. 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 и отрицательные заряды (рис. 1.5.1). Этот процесс называют электростатической индукцией , а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами .

Индукционные заряды создают свое собственное поле которое компенсирует внешнее поле во всем объеме проводника: (внутри проводника).

Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.

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. 1.5.2).

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

В отличие от проводников, в 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 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 которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности внешнего поля. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика . В результате полное электрическое поле внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше внешнего поля

Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная и электронная поляризации. Эти механизмы проявляются главным образом при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.

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, а также молекулы ряда других диэлектриков (H2S, NO2 и т. д.).

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

При внесении диэлектрика во внешнее поле возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле направленное навстречу внешнему полю (рис. 1.5.3).

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

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. На поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные связанные заряды, создающие свое поле направленное навстречу внешнему полю Так происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 1.5.4).

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 C 4– 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.

Электрическое поле связанных зарядов, возникающее при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, изменяется по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля 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 порядка . 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. Примером такого механизма может служить поляризация кристалла NaCl, в котором ионы Na + и Cl – составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. В отсутствие внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла NaCl (см. Часть I § 3.6 ) электронейтральна и не обладает дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки смещаются в противоположных направлениях, т. е. кристалл поляризуется.

При поляризации неоднородного диэлектрика связанные заряды могут возникать не только на поверхностях, но и в объеме диэлектрика. В этом случае электрическое поле связанных зарядов и полное поле могут иметь сложную структуру, зависящую от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем строго справедливо только в случае однородного диэлектрика , заполняющего все пространство, в котором создано внешнее поле. В частности:

Учебники

Разделы физики

Журнал «Квант»

Лауреаты премий по физике

Общие

SA. Проводники и диэлектрики

Содержание

Проводники в электростатическом поле

Проводниками являются металлы, электролиты (растворы, проводящие ток) плазма. В металлах носителями зарядов являются свободные электроны, в электролитах – положительные и отрицательные ионы, в плазме – свободные электроны и ионы.

У большинства металлов практически каждый атом теряет электрон и становится положительным ионом. Например, у меди в 1 м 3 свободных электронов 10 29 . Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном беспорядочном движении. Скорость такого движения примерно равна 10 5 м/с (100 км/с).

Не смотря на наличие внутри тела зарядов (свободных электронов и ионов), электрического поля внутри проводника нет. Отдельные заряженные частицы создают микроскопические поля. Но эти поля внутри проводника в среднем компенсируют друг друга (рис. 1).

  • Если бы это условие не выполнялось, то свободные заряды, под действием кулоновских сил, пришли бы в движение. Они двигались бы до тех пор, пока действующая на них сила не обратилась бы в нуль.

Поместим незаряженный проводник, например, металл, в однородное электростатическое поле с напряженностью (

vec E_0). На свободные электроны начинают действовать электрические силы (vec F), под действием которых электроны приходят в движение (рис. 2). Продолжая беспорядочное движение, электроны начинают смещаться в сторону действия силы (скорость смещения порядка 0,1 мм/с).

На одной поверхности проводника образуется область с недостатком электронов, на противоположной – с избытком электронов. Это приводит к появлению еще одного электрического поля с напряженностью ( vec E_) (рис. 3).

Общая напряженность ( vec E) электрического будет равна

( vec E = vec E_0 + vec E_, ;; E = E_0 — E_.)

Электрическая сила (F), действующая на свободные электроны с зарядом q:

По мере смещения электронов, заряд на поверхности увеличивается. Это приводит к увеличению напряженности (E_) и уменьшению общей напряженности (E) (т.к. (E = E_0 — E_)). И в какой-то момент напряженность (E_) становится равной напряженности внешнего поля (E_0), т.е. (E_ = E_0), и общая напряженность поля внутри проводника становится равной нулю.

Электрическая сила (F) в этот момент также становится равной нулю, электроны перестают смещаться, но беспорядочное движение не прекращается. На поверхности проводника остаются электрические заряды.

Явление возникновения электрических зарядов на поверхности проводника под воздействием электрического поля называется электростатической индукцией, а возникшие заряды – индуцированными.

  • Доля электронов, которые оказались на поверхности, очень мала. Например, если к медной пластинке толщиной в 1 см приложить напряжение в 1000 В, то эта доля составляет 10 –10 % от всех свободных электронов.

Каким бы способом ни был заряжен проводник, внутри него поле отсутствует. Это позволяет использовать заземленные полые проводники со сплошными или сетчатыми стенками для электростатической защиты от внешних электростатических полей. Так, например, для защиты военных складов, служащих для хранения взрывчатых веществ, от удара молнии их окружают заземленной проволочной сетью.

  • Впервые явление электростатической защиты было обнаружено М.Фарадеем в 1836 году. Он провел интересный опыт. Большая деревянная клетка была оклеена тонкими листами олова, изолирована от земли и сильно заряжена. В клетке находился сам Фарадей с очень чувствительным электроскопом. Несмотря на то, что при приближении к клетке тел, соединенных с землей, проскакивали искры, внутри клетки электрическое поле не обнаруживалось.

Диэлектрики в электростатическом поле

  • Диэлектрики (изоляторы) — это вещества, в которых практически отсутствуют свободные носители зарядов. Термин «диэлектрик» происходит от греческого слова dia — через, сквозь и английского слова electric — электрический. Этот термин ввел М. Фарадей в 1838 г. для обозначения веществ, в которые проникает электрическое поле.

Резкой границы между проводниками и диэлектриками нет, так как все вещества в той или иной степени способны проводить электрический ток. Но если в веществе свободных зарядов в 10 15 -10 20 раз меньше, чем в металлах, то в таких случаях слабой проводимостью вещества можно пренебречь и считать его идеальным диэлектриком.

Почти все заряженные частицы внутри диэлектрика связаны между собой и не способны передвигаться по объему тела. Они могут только незначительно смещаться относительно своих равновесных положений.

Читайте также  Как рассчитать насос на систему отопления?

Диэлектриками являются все неионизированные газы, многие чистые жидкости (дистиллированная вода, масла, бензины) и твердые тела (пластмассы, стекла, керамика, кристаллы солей, сухая древесина).

Существуют полярные и неполярные диэлектрики.

Неполярный диэлектрик

Рассмотрим схему простейшего атома – атома водорода (рис. 4).

Положительный заряд атома, заряд его ядра, сосредоточен в центре атома. Вокруг ядра движется электрон со скоростью порядка 10 6 м/с и уже за 10 –9 с успевает совершить миллион оборотов. Поэтому орбиту электрона можно рассматривать как электронное облако, расположенное симметрично относительно ядра. Следовательно, даже за очень малый промежуток времени центр распределения отрицательного заряда приходится на середину атома, т.е. совпадает с положительно заряженным ядром.

  • Диэлектрики, состоящие из атомов и молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают, называются неполярными.

Примерами таких веществ являются одноатомные благородные (инертные) газы; газы, состоящие из симметричных двухатомных молекул (кислород, водород, азот); различные органические жидкости (масла, бензины); некоторые твердые тела (пластмассы).

Поместим такой диэлектрик в однородное электростатическое поле с напряженностью (vec E_0) .

На отрицательно и положительно заряженные частицы начинают действовать силы, направленные в противоположные стороны (рис. 5).

В результате молекула растягивается и происходит незначительное смещение центров положительного и отрицательного зарядов. Образуется система двух точечных зарядов q, равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии l друг от друга (рис. 6). Такую нейтральную в целом систему зарядов называют электрическим диполем. Электрический диполь создает электрическое поле напряженностью Едi, которая направлена против напряженности внешнего поля Е.

В диэлектрике, состоящем из множества таких диполей, с напряженность Едi, общая напряженность Е становится меньше напряженности внешнего поля Е (рис. 7).

Вследствие смещения зарядов на одной поверхности диэлектрика появляются преимущественно отрицательные заряды диполей, а на другой – положительные (рис. 8). Внутри любого объема диэлектрика суммарный электрический заряд молекул в этом объеме равен нулю.

  • Заряды, которые образуются на поверхности диэлектрика, помещенного в электрическое поле, называются связанными.
  • Смещение связанных положительных и отрицательных зарядов диэлектрика в противоположные стороны под действием приложенного внешнего электростатического поля называют поляризацией.
  • Поляризация диэлектрика, в результате которой происходит смещение электронных оболочек, называется электронной поляризацией.

Электронная поляризация происходит в атомах любого диэлектрика, помещенного в электрическое поле.

Полярный диэлектрик

Многие диэлектрики (H2O, H2S, NO2) образованы из молекул, каждая из которых является электрическим диполем и в отсутствии внешнего электрического поля. Такие молекулы и образованные ими диэлектрики называются полярными.

Например, молекула поваренной соли NaCl. При образовании молекулы единственный валентный электрон натрия захватывается хлором. Оба нейтральных атома превращаются в систему из двух ионов с зарядами противоположных знаков. Центр положительного заряда молекулы приходится на ион натрия (Na), а отрицательного – на ион хлора (Cl) (рис. 9).

При отсутствии внешнего поля молекулярные диполи из-за теплового движения расположены хаотично, поэтому их суммарный дипольный момент равен нулю.

Поместим полярный диэлектрик в однородное электростатическое поле с напряженностью (vec E_0) . Со стороны этого поля на диполь будут действовать две силы, одинаковые по модулю и противоположные по направлению. Эти силы создают вращающий момент, стремящийся повернуть диполь так, чтобы его ось была направлена по линии напряженности поля (рис. 10). Но этому препятствует тепловое движение. В результате молекула поворачивается лишь частично (рис. 11).

Поворот электрических диполей приводит к появлению еще одного электрического поля с напряженностью Едi, которая направлена против напряженности внешнего поля Е. В таком диэлектрике общая напряженность Е становится меньше напряженности внешнего поля Е.

Вследствие поворота молекул на одной поверхности диэлектрика появляются преимущественно отрицательные заряды диполей, а на другой – положительные (см. рис. 11). Такие заряды называются связанные.

Внутри диэлектрика отрицательные и положительные заряды диполей компенсируют друг друга и средний электрический заряд диэлектрика равен нулю.

  • Такой механизм поляризации называется ориентационным.
  • Полная ориентация диполей (состояние насыщения) может быть достигнута лишь в сильных полях при температурах, близких к абсолютному нулю.
  • Для насыщение при комнатных температурах необходимы поля напряженностью 10 10 – 10 12 В/м. Но чаще всего, даже при значительно меньших напряженностях, наступает пробой диэлектрика.

У полярных диэлектриков, наряду с ориентационной поляризацией, наблюдается и электронная поляризация. Однако эффект ориентации диполей на несколько порядков превосходит эффект смещения зарядов, поэтому последним часто пренебрегают.

Диэлектрическая проницаемость

Таким образом, во всех диэлектриках, помещенных в электростатическое поле, происходит уменьшение напряженности этого поля. Степень ослабления поля зависит от свойств диэлектрика. Для характеристики электрических свойств диэлектриков вводится особая величина, называемая диэлектрической проницаемостью.

  • Диэлектрическая проницаемость ε — это физическая величина, равная отношению модуля напряженности электрического поля E в вакууме к модулю напряженности электростатического поля Ε внутри однородного диэлектрика

(

Диэлектрическая проницаемость некоторых веществ приведены в таблице 1.

Диэлектрическая проницаемость

Вещество ε Вещество ε
Бензин 2,0 Масло 2,5
Вакуум, воздух 1,0 Парафин 2,0
Вода дистиллированная 81 Резина 4,5
Дерево сухое 2,9 Спирт 26
Капрон 4,3 Стекло 7,0
Керосин 2,1 Фарфор 5,6
Лед 70 Эбонит 3,1

В диэлектриках при расчете кулоновских сил, напряженностей и потенциалов полей необходимо учитывать ослабление электрического поля в ε раз. Например,

Физики обнаружили материал, который может быть одновременно проводником и диэлектриком

Введение в физику проводников и диэлектриков

К настоящему моменту вы уже хорошо осведомлены о взаимосвязи между электрической проводимостью и некоторыми видами материалов. Те материалы, которые хорошо пропускают свободные электроны, называются проводниками, а те, которые препятствуют их прохождению — диэлектриками.

Научные теории, объясняющие проводимость и непроводимость материалов, достаточно сложны и лежат в плоскости квантовой механики, которая адекватно описывает основные свойства и поведение атомов, ионов, молекул и других систем с электронно-ядерным строением. В классической физике электроны, как и все другие частицы, движутся по траекториям, которые можно рассчитать с помощью уравнений Ньютона . Электроны имеют массу m и электрический заряд e. В области, где есть электромагнитное поле, они движутся ускоренно, а там, где поля нет, их движение равномерное и прямолинейное. К вантовая механика дает совершенно новую картину физического мира. Электрон подобен волне. Он может испытывать интерференцию , проникать через узкие щели и барьеры, но вместе с тем сохраняет признаки обычной частицы. Действительно, он имеет строго определенную массу, заряд электрона также фиксирован. Кроме того, подобно классической частице, электрон обладает импульсом и энергией. В том случае, когда движение электрона происходит в ограниченной области, его энергия имеет строго определенные, дискретные значения. Если электроны рассматривать с точки зрения крошечных планет, движущихся по орбитам вокруг ядра за счет электростатического притяжения, то их действия будут описываться теми же законами, которые описывают движения реальных планет. В этом случае не может быть никакого реального различия между проводниками и диэлектриками, а химические связи не могут существовать в известном нам виде. Дискретный характер энергии электрона и его размещение, описываемые квантовой физикой, придает этим явлениям закономерность.

Когда электрон свободно может принять более высокое энергетическое положение вокруг атомного ядра, он способен «оторваться» от атома и составить часть электрического тока через материал. Если квантовые ограничения, налагаемые на электрон, не дают ему такой свободы, то электрон считается «связанным» и не может оторваться от атома (по крайней мере не так легко). Первый из только что рассмотренных сценариев типичен для проводящих материалов, а второй — для диэлектриков.

В некоторых учебниках говорится, что проводимость или непроводимость материала определяется исключительно количеством электронов, находящихся на внешней (валентной) оболочке атома. Это существенное упрощение истинного положения дел. Вся сложность ситуации раскрывается в дальнейшем, когда рассматривается проводимость молекул (объединений атомов, связанных ковалентными связями).

В качестве примера можно взять углерод, из которого состоят значительно отличающиеся по проводимости материалы: графит и алмаз. Если графит является типичным проводником, то алмаз представляет собой диэлектрик (иногда он классифицируется как полупроводник, который в чистом виде действует как диэлектрик, но может проводить электрический ток при высокой температуре или под влиянием примесей). И графит и алмаз состоят из одинаковых атомов углерода с 6 протонам, 6 нейтронами и 6 электронами каждый. Фундаментальное различие между этими материалами состоит в том, что атомы углерода в алмазе находятся по узлам двух кубических решеток с центрированными гранями, очень плотно вставленных одна в другую, а в графите атомы углерода расположены слоями, связи между которыми и недостаточно прочные.

Соединение атомов углерода с другими типами атомов так же приводит к изменению их электропроводности. Например карбид кремния, представляющий собой соединение атомов кремния с атомами углерода, демонстрирует нелинейное поведение: его электрическое сопротивление уменьшается при увеличении приложенного напряжения. Углеводородные соединения (такие как масла) являются очень хорошими диэлектриками. Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что простой подсчет валентных электронов в атоме выступает не очень хорошим показателем электропроводности вещества.

Все металлические вещества являются хорошими проводниками электричества благодаря особому характеру связей их атомов друг с другом. Электроны внешних оболочек атомов металлов настолько слабо связаны с ядром, что могут свободно перемещаться внутри вещества под влиянием внешнего воздействия. Эти электроны так мобильны, что ученые иногда их называют электронным газом или электронным морем, в котором покоятся атомные ядра. Невероятная подвижность электронов объясняет и другие общие свойства металлов: хорошую теплопроводность, ковкость, пластичность и блестящую поверхность (в чистом виде).

К счастью, физические основы проводимости для изучения последующих материалов нам не понадобятся, они изложены в целях общего понимания вопроса. Вам достаточно знать, что некоторые материалы являются хорошими проводниками, некоторые — плохими, а некоторые занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Все эти различия определяются конфигурацией электронов вокруг атомов, образующих материал.

Чтобы научиться управлять электричеством, вы должны уметь строить пути для потока электронов с контролируемой величиной сопротивления. Если поток электронов пошел в ненужном вам направлении, вы должны суметь поставить ему преграду при помощью диэлектрических (изоляционных) материалов (это жизненно важно). Для успешного выполнения этих задач вам просто необходимо знать некоторые характеристики проводников и диэлектриков, а так же умело применять их в конкретных ситуациях.

Почти все проводники обладают определенным сопротивлением (некоторые виды материалов, называемые сверхпроводниками, вообще не имеют сопротивления, но для достижения сверхпроводимости они должны помещаться в специальные условия). Несмотря на это мы предполагаем, как правило, что сопротивление проводов в цепи равно нулю, и прохождение тока по ним не вызывает падения напряжения. В действительности это не так, падение напряжение в проводах происходит почти всегда:

Для расчета падения напряжения в схеме, нам нужно вычислить сопротивление провода, зная его длину и диаметр. В следующих статьях мы рассмотрим этот процесс подробнее.