Проводники в электростатическом поле
ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ
Проводники в электростатическом поле
Свободные заряды
В отношении электрических свойств тела делятся на проводники и диэлектрики (изоляторы). В проводниках, к которым в первую очередь относятся все металлы, имеются заряженные частицы, которые способны перемещаться внутри проводника под действием электрического поля. По этой причине заряды этих частиц называют свободными зарядами.
Диэлектрики состоят из нейтральных в целом атомов или молекул. Электрически заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут, подобно свободным зарядам проводника, перемещаться под действием поля по всему объему тела.
В металлах носителями свободных зарядов являются электроны. При образовании металла из нейтральных атомов атомы начинают взаимодействовать друг с другом. Благодаря этому взаимодействию электроны внешних оболочек атомов полностью утрачивают связи со «своими» атомами и становятся «собственностью» всего проводника в целом. В результате положительно заряженные ионы оказываются окруженными отрицательно заряженным «газом», образованным коллективизированными электронами (рис. 1.48). Этот газ заполняет промежутки между ионами и стягивает их кулоновскими силами. Свободные электроны участвуют в тепловом движении, подобно молекулам газа, и могут перемещаться по куску металла в любом направлении.
ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Взаимодействие заряженных тел в однородном диэлектрике ослабляется в г раз (г — диэлектрическая проницаемость среды). Выясним, почему это происходит.
Как влияет диэлектрик на электростатическое поле?
С помощью простого опыта можно убедиться в том, что незаряженный диэлектрик может создавать электрическое поле. На рисунке 1.52 вы видите заряженный электрометр с металлическим диском на конце стержня. Если к диску электрометра поднести незаряженный диэлектрик, например толстое стекло, то стрелка электрометра слегка приблизится к стержню (рис. 1.53). Это может произойти только в том случае, если диэлектрик, помещенный в электрическое поле заряженного диска, сам создает электрическое поле. Это поле влияет на распределение заряда в стержне и диске электрометра, уменьшая заряд стрелки и увеличивая соответственно заряд диска. Следовательно, диэлектрик, оставаясь нейтральным, создает электрическое поле, напряженность которого направлена противоположно напряженности поля, созданного заряженным телом. Ведь согласно принципу суперпозиции напряженность электрического поля всегда равна сумме напряженностей полей, созданных в данной точке всеми заряженными частицами.
Электрический диполь
На большом расстоянии от молекулы ее можно приближенно рассматривать как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии l друг от друга (рис. 1.57). Такую нейтральную в целом систему зарядов называют электрическим диполем.
Электрические свойства диполя характеризуются электрическим дипольным моментом. Электрический момент диполя равен произведению модуля одного из электрических зарядов диполя на вектор l, проведенный от отрицательного заряда диполя к положительному:
Дипольным моментом обладает, например, молекула воды. Однако распределение электрических зарядов у молекулы Н20 гораздо сложнее, чем у NaCl. Устроена молекула воды
приблизительно следующим образом. Из восьми электронов атома кислорода два находятся вблизи ядра. Пара электронов с внешней оболочки спаривается с двумя электронами атомов водорода, удерживая все три атома (один кислорода и два водорода) друг около друга. Остающиеся четыре электрона движутся парами по орбитам, простирающимся в стороны, противоположные атомам водорода. Примерная схема электронных орбит в молекуле воды изображена на рисунке 1.58. Верхняя по рисунку часть молекулы имеет положительный заряд, а нижняя — отрицательный. В результате молекулу на большом расстоянии тоже можно рассматривать как электрический диполь. Электрический дипольный момент молекулы воды по сравнению с дипольными моментами других молекул
оказывается большим: р = 1,87 • 10-18 СГСЭ .
Два вида диэлектриков
Диэлектрики можно разделить на два вида:
полярные, состоящие из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают;
неполярные, состоящие из атомов и молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают.
К полярным диэлектрикам относятся спирты, вода и другие вещества; к неполярным — инертные газы, кислород, водород, бензол, полиэтилен и др.
Поляризация диэлектриков.
Сегнетоэлектрики
Кроме полярных и неполярных диэлектриков, существует еще один тип диэлектриков, которые называют сегнетоэлектриками. Эти вещества обладают рядом замечательных свойств. В частности, они имеют очень большую диэлектрическую проницаемость. Так, например, у сегнётовой соли диэлектрическая проницаемость достигает 10 000. Заметим для сравнения, что среди полярных диэлектриков наибольшей проницаемостью обладает вода (ε = 81). Значение ε у неполярных диэлектриков много меньше.
Большой вклад в исследование сегнетоэлектриков был сделан отечественными физиками И. В. Курчатовым, Б. М. Вулом и др.
ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ
Проводники в электростатическом поле
Свободные заряды
В отношении электрических свойств тела делятся на проводники и диэлектрики (изоляторы). В проводниках, к которым в первую очередь относятся все металлы, имеются заряженные частицы, которые способны перемещаться внутри проводника под действием электрического поля. По этой причине заряды этих частиц называют свободными зарядами.
Диэлектрики состоят из нейтральных в целом атомов или молекул. Электрически заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут, подобно свободным зарядам проводника, перемещаться под действием поля по всему объему тела.
В металлах носителями свободных зарядов являются электроны. При образовании металла из нейтральных атомов атомы начинают взаимодействовать друг с другом. Благодаря этому взаимодействию электроны внешних оболочек атомов полностью утрачивают связи со «своими» атомами и становятся «собственностью» всего проводника в целом. В результате положительно заряженные ионы оказываются окруженными отрицательно заряженным «газом», образованным коллективизированными электронами (рис. 1.48). Этот газ заполняет промежутки между ионами и стягивает их кулоновскими силами. Свободные электроны участвуют в тепловом движении, подобно молекулам газа, и могут перемещаться по куску металла в любом направлении.