Провідники й діелектрики в електричному полі
Розглянемо електричне поле в провідниках та однорідних діелектриках. Зазначимо, що провідники мають велику кількість електронів, які покинули орбіти атомів і рухаються хаотично. Такі електрони називаються вільними. Характерною особливістю діелектриків є те, що вони мають дуже малу кількість вільних електронів. Тіла, в яких вільних електронів менше, ніж у провідниках, але більше, ніж у діелектриках, називаються напівпровідниками. Якщо металевий провідник знаходиться в електричному полі з напруженістю Е1, то вільні електрони переміщуються до одного боку, який, завдяки накопиченню електронів, дістає негативний заряд, а протилежний бік провідника через нестачу електронів заряджається позитивно. Тоді в провіднику утворюється внутрішнє електричне поле з напруженістю Е2 напрямлене протилежно до зовнішнього електричного поля Е1. Цей процес відбувається швидко і доти, поки напруженості зовнішнього і внутрішнього полів не зрівняються, тобто е1 =Е2. Таке явище називаєтся електростатичною індукцією. При цьому результуюча напруженість електричного поля у провіднику дорівнюватиме нулю. Це означає, що напруга між двома будь-якими точками провідника теж дорівнює нулю, тобто провідник має сталий потенціал. Діелектриками є: папір, повітря, скло, парафін, гума, слюда та інші матеріали. Діелектрики на одиницю об'єму мають дуже малу кількість вільних електронів та інших заряджених частинок. Тому, якщо діелектрик знаходиться в зовнішньому електричному полі, то напрямленим рухом цих частинок можна знехтувати.Рис.() Одночасно слід зазначити, що атоми діелектриків мають позитивно заряджене ядро і негативно заряджені, міцно зв'язані з ним, електрони. Загальний потенціал таких атомів нейтральний. Проте під дією зовнішнього електричного поля Е3 відбувається зсув орбіт обертання електронів у бік позитивного заряду цього поля. Тому атоми можна розглядати як електричний диполь, тобто сукупність двох частинок з електричними зарядами, які рівні за величиною, протилежні за знаком і мають дуже малу відстань між собою. Процес одночасного зсуву орбіт атомів діелектриків під дією електричного поля і переміщення зарядів з утворенням диполів викликає струм, який називають струмом зсуву або струмом поляризації: де iп — миттєве значення струму поляризації; dQ — миттєве значення заряду; dt — миттєве значення часу. При повільних електричних процесах (сталій напрузі i низьких частотах) струм зсуву не спостерігається, проте він завжди спостерігається при підключені до конденсатора джерела постійного струму. Тут є зміна електричного поля і струм зсуву. Якщо напруга змінюється безперервно, то струм зсуву буде теж безперервний. Цим пояснюється властивість конденсатора пропускати струм змінного джерела напруги. Електричні диполі розташовуються вздовж напряму вектора напруженості Е, що створює так звану поляризацію діелектрика рис. Внаслідок такої поляризації від зовнішнього електричного поля в діелектрику будь-якого об'єму, не меншого від об'єму атома, зберігається рівність обох зарядів. Тому діелектрик залишається нейтральним. Проте на боках діелектрика, в місцях прилягання до металевих пластинок, зосереджено частинкі з зарядом одного знака: від'ємного — на боці з позитивною пластиною і додатною — на боці з негативною пластиною. Вони утворюють заряд поляризації діелектрика Qn. Таким чином, між металевою пластиною і діелектриком кожного боку знаходяться два типи заряджених частинок: вільні частинки металевих пластин з зарядом Qo, який утворює зовнішнє електричне поле Е0, і зв'язані частинки діелектрика протилежного знака із загальним зарядом Qn, який утворює внутрішнє електричне поле Еп. Загальна напруженість цих полів у діелектрику визначається так: Е = Ео -Еп Характеристики електричного поля в діелектрику порівняно з характеристиками у вакуумі або в повітрі можна визначити, замінивши у відповідній формі e0 (електричну сталу для повітря) на eа , що характеризує властивості діелектрика і називається абсолютною діелектричною проникністю, причому eа>e0. Величина діелектричної проникності різних діелектриків наводиться в таблицях. Здебільшого вона подається як відносна діелектрична проникність er, яка є відношенням абсолютної діелектричної проникності eа, до діелектричної сталої e0. Відносна діелектрична проникність визначає, у скільки разів зменшується сила взаємодії в даному середовищі відносно вакууму або повітря: ©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|