 |
|
Справочный материал к тестированию по теме
Все вещества по реакции на внешнее электрическое поле и способности проводить электрический ток делятся на три группы: проводники, диэлектрики и полупроводники.
Проводники отличаются тем, что проводят электрический ток при нормальных условиях, так как в них изначально уже существуют свободные электрические заряды. У проводников первого рода, к которым в основном относятся металлы, свободными зарядами являются электроны, а у проводников второго рода - электролитов - как электроны, так и свободные положительные и отрицательные ионы. Поле внутри проводников, благодаря явлению электростатической индукции всегда равно нулю. Электростатической индукцией называют явление полного разделения зарядов в проводнике, возникающий под действием внешнего поля, при котором весь заряд равномерно распределяется по поверхности. Поэтому поверхность является эквипотенциальной 
.
Основной характеристикой проводника является электроемкость 
. Она определяется отношением заряда проводника к потенциалу на его поверхности. Это отношение всегда постоянно и зависит от геометрии проводника и диэлектрических свойств окружающего пространства. Электроемкость проводников можно увеличить, приблизив их, друг к другу. Полученное таким образом устройство называют конденсатором. Конденсатор служит для разделения и накопления электрических зарядов.
Диэлектрики, в отличие от проводников, не проводят электрический ток, так как у них отсутствуют свободные заряды. Однако у них либо изначально (полярные, ионные и сегнетоэлектрики), либо под действием внешнего электрического поля (неполярные) присутствуют связанные заряды – диполи, образованные из атомов, молекул или ионов. Поле в диэлектрике всегда меньше внешнего электростатического поля, так как гасится внутреннем полем, создаваемым связанными зарядами. Внутреннее поле связано с поляризацией среды диэлектрика во внешнем электрическом поле. Поляризацией средыназывают процесс установления дипольных моментов по направлению внешнего поля. Поляризация среды характеризуется таким параметром как поляризованность диэлектрика 
, которая связана с напряженностью внешнего поля 
. Все диэлектрики делятся на:
полярныедиэлектрики с ориентационной поляризацией;
неполярные диэлектрики с электронной поляризацией;
ионные диэлектрики с ионной поляризацией;
сегнетоэлектрикис остаточной поляризацией.
Первые три вида диэлектриков являются изотропными, а последний - анизотропным. Поэтому связь между поляризованностью среды и внешним электрическим полем для первых трех является линейной, а для последнего нелинейной.
Молекулы полярных диэлектриков(CO, HCl, HN и т.д.) состоят из атомов, центры тяжести положительных и отрицательных ионов которых смещены. Поэтому даже в отсутствие электрического поля они имеют отличные от нуля дипольные моменты. Однако эти моменты ориентированы хаотически, что означает равенство нулю поляризованности такого рода диэлектриков. При включении внешнего электрического поля все молекулы ориентируются по направлению его напряженности и поляризованность становиться отличной от нуля, то есть среда поляризуется. Такая поляризация называется ориентационной.
Неполярные молекулы (O2, H2, N2 и т.д.) в отсутствии электрического поля не имеют дипольного момента, так как они симметричны и в них нет выделенных положительного и отрицательного центра. При включении внешнего электрического поля их электронные оболочки деформируются таким образом, что у соответствующих молекул появляются отличные от нуля дипольные моменты, ориентированные по полю и, следовательно, отличная от нуля поляризованность. Такой способ поляризации называется электронным.
Ионные диэлектрики(NaCl, KCl и т.д.) имеют ионную кристаллическую решетку, состоящую из двух встроенных решеток, в узлах которых находятся либо положительные, либо отрицательные ионы. В отсутствии электрического поля они расположены так, что электрические силы между соответствующими ионами скомпенсированы и поляризованность равна нулю. При внесении во внешнее электрическое поле, решетки, соответственно с положительными и отрицательными ионами, сдвигаются относительно друг друга по направлению поля. В результате дипольные моменты оказываются не скомпенсированными, и поляризованность становится отличной от нуля. Такая поляризация называется ионной.
При выключении внешнего электрического поля поляризующего полярные, неполярные и ионные диэлектрики из поляризованность обращается в нуль и вещество снова оказывается неполяризованным.
Сегнетоэлектрики (сегнетова соль, титанат бария, дигидрофосфат калия и т.д.) отличаются от остальных диэлектриков тем, что при выключении внешнего электрического поля в них обнаруживается остаточная поляризованность. Это необычное свойство связано с особенностью строения сегнетоэлектриков (они имеют доменную (домен – область кристалла со спонтанной поляризацией) структуру), приводящей к возникновению нелинейной зависимости между поляризованностью и напряженностью внешнего электрического поля. Эта зависимость описывается так называемой петлей гистерезиса. У сегнетоэлектриков относительная диэлектрическая проницаемость может достигать нескольких тысяч единиц. Сегнетоэлектрические свойства проявляются в определенном интервале температур, границы которого определяются точками Кюри. За пределами этого интервала вещество ведет себя как обычный диэлектрик.
Многие сегнетоэлектрики являются пьезоэлектриками. На поверхностях таких сегнетоэлектриков при однородной деформации (растяжения или сжатия) в определенных направлениях, называемых полярными осями пьезоэлектрика, возникают электрические заряды противоположных знаков. Знаки зарядов зависят от знака деформации. Пьезоэффект связан с анизотропией соответствующих веществ: их кристаллическая подрешетка положительных ионов, как правило, деформируется иначе, чем у отрицательных ионов. Всякий пироэлектрик является пьезоэлектриком, хотя обратное утверждение не является верным. Пироэлектрикиобладают тем свойством, что при изменении температуры они могут определенным образом поляризоваться.
Полупроводники, если они чистые (без примесей), не проводят электрический ток при нормальных условиях, так как у них отсутствуют свободные заряды из-за наличия сильной ковалентной связи. Однако под действием света или при нагреве они могут перейти в проводящее состояние, обусловленное разрывом ковалентной связи и возникновением свободных зарядов – электронов и дырок. У примесных проводников уже изначально имеются свободные заряды – либо электроны, либо дырки в зависимости от типа проводимости, поэтому они могут проводить электрический ток даже при нормальных условиях.
При наличии границы раздела сред двух диэлектриков, напряженностьэлектрического поля и связанный с ней вектор электрического смещения, в случае перехода от одной среды к другой испытывают преломление. При этом, благодаря потенциальности электрического поля, сохраняются тангенциальныекомпоненты напряженности электрического поля, и, при отсутствии сторонних зарядов на границе раздела сред, - нормальные компоненты вектора электрического смещения.
Основные соотношения:
Поляризуемость молекулы: 
Определение поляризованности среды: 
Связь между поляризованностью и напряженностью внешнего электростатического поля: 
,
где 
- диэлектрическая восприимчивость среды.
Объемная плотность связанных зарядов: 
Поверхностная плотность связанных зарядов: 
,
где 
- нормальная компонента поляризованности среды.
Определение для вектора электрического смещения: 
Дивергенция 
(теорема Гаусса в дифференциальной форме): 
,
где 
- объемная плотность сторонних зарядов.
Связь между напряженностью и вектором электрического смещения: 
,
где 
- относительная диэлектрическая проницаемость среды.
Связь между диэлектрической проницаемостью и
восприимчивостью среды: 
Вектор электрического смещения поля точечного заряда: 
Связь между компонентами векторов электрического поля на границе раздела сред:
тангенциальные: 
нормальные (в отсутствии сторонних зарядов на поверхности): 
Определение электроемкости проводника: 
Электроемкости некоторых конденсаторов с разной формой обкладок:
плоский: 
,
где 
- площадь металлических обкладок, а 
- расстояние между ними.
цилиндрический: 
,
где 
- высота обкладки конденсатора, а 
- внутренний и внешний радиусы цилиндрических поверхностей.
шаровой: 
,
где - внутренний и внешний радиусы шаровых поверхностей.
Соединения конденсаторов:
параллельное: 
,
последовательное: 
,
где 
– число конденсаторов в соединении
Энергия системы электрических зарядов: 
Энергия заряженного конденсатора: 
Плотность энергии электрического поля: 
Варианты тестов промежуточного контроля по теме
ТЕСТ№1
1. Для каких диэлектриков характерной является ориентационная поляризация?
2. Чему равно поле внутри проводника?
3. Объемная плотность связанного заряда определяется соотношением ____.
4. Электроемкость цилиндрического конденсатора определяется по формуле ___.
5. Какие компоненты напряженности электрического поля сохраняются при переходе через границу раздела сред?
6. Какая связь существует между плотностью энергии электрического поля и его напряженностью?
7. Зависит ли вектор электрического смещения от величины объемной плотности связанных зарядов?
8. Каков потенциал проводника на поверхности во внешнем электрическом поле?
9. Соотношение, с помощью которого определяется связь между напряженностью и вектором электрического смещения, имеет вид ______.
10. Какие полупроводники могут проводить ток при нормальных условиях?
ТЕСТ№2
1. В каких диэлектриках сохраняется остаточная поляризованность?
2. Что происходит с электрическим полем в диэлектрической среде?
3. По какой формуле можно рассчитать поверхностную плотность заряда среды?
4. Поляризуемость молекулы определяется соотношением ________.
5. Электроемкость шарового конденсатора равна ________.
6. Как связаны между собой нормальные компоненты напряженности электрического поля на границе раздела сред в отсутствие сторонних зарядов?
7. Энергия конденсатора может быть найдена по формуле ______.
8. Чему равна электроемкость при параллельном соединении конденсаторов?
9. Определение для вектора электрического смещения в векторной форме имеет вид __________.
10. Проводники проводят электрический ток в присутствии внешней разности потенциалов при наличии в них ______.
ТЕСТ№3
1. Есть ли свободные заряды у чистых проводников при нормальных условиях?
2. Поляризованность среды по определению имеет вид _______.
3. Электроемкость в случае последовательного соединения может быть найдена по формуле _________.
4. Электроемкость плоского конденсатора равна ________.
5. Основной функцией конденсатора является ________.
6. Связь между вектором напряженности и электрического смещения для изотропных сред является ________.
7. От чего зависит электроемкость проводника?
8. Для каких диэлектриков характерна электронная поляризация во внешнем электрическом поле?
9. Энергия системы электрических зарядов равна _______.
10. Какова связь между тангенциальными компонентами вектора электрического смещения на границе раздела сред?
ТЕСТ№4
1. Какой тип поляризации характерен для ионных диэлектриков?
2. Связь между поляризованностью и напряженностью внешнего поля имеет вид _______.
3. В отсутствии сторонних зарядов на границе раздела сред сохраняются нормальные компоненты ______.
4. К проводникам второго рода относятся ______.
5. Величина электрического смещения поля точечного заряда в скалярной форме определяется соотношением _______.
6. Как уменьшит электроемкость плоского конденсатора?
7. Как связаны между собой диэлектрическая восприимчивость и проницаемость среды.
8. Какие факторы могут перевести чистый полупроводник из непроводящего в проводящее состояние?
9. Какой является зависимость плотности энергии от напряженности электрического поля?
10. Является ли зависимость поляризованности от напряженности линейной для сегнетоэлектриков?