Вопрос 13. Проводники в электрическом поле. Метод изображений

Вопрос. Поведение вещества в электрическом поле.

По электрическим свойствам все вещества можно разделить на: - проводники

- диэлектрики

- полупроводники (промежуточное значение)

- электреты, сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики (уникальные свойства)

Проводники– это вещества проводящие электрический ток. Различают:

I рода: металлы; II рода: растворы электролитов, газы при определенных условиях (ионизированные газы).

Поведение вещества в электрическом поле определяется структурой вещества. Вещество состоит из атомов – нейтральных электрических систем, т.е. положительно заряженного ядра и электронов вращающихся вокруг него.

У проводников электроны внешних валентных слоев слабо связаны с ядром, что позволяет свободно им свободно перемещаться по объему проводника. В металлах есть носители тока: свободные электроны.

В диэлектриках (смолы, пластмассы, дерево, стекло) электроны внешних валентных оболочек привязаны к ядру и свободно перемещаться не могут. Они находятся в связанном состоянии. У диэлектрика нет носителей тока!!!! Он не проводит электрический ток!!!!!

У полупроводников свободные носители заряда появляются при определенных внешних условиях: повышение температуры, повышение давления.

Вопрос 13. Проводники в электрическом поле. Метод изображений.

Возьмем проводник и поместим его в электростатическое поле.

По принципу суперпозиции результирующее поле внутри проводника:

Будем наблюдать явление электростатической индукции(пример закона сохранения заряда) – явления разделения электрических зарядов внутри проводника, помещенного во внешнее электростатическое поле, приводящее к появлению на поверхности проводника поверхностных зарядов, а внутри проводника результирующее поле будет равно 0, происходящее за время релаксации .

По закону макроскопической необратимости любая неравновесная система переходит в состояние равновесия, в котором может находиться сколь угодно долго, до тех пор пока внешнее воздействие не выведет ее из состояния равновесия. Время перехода в состояние равновесия – время релаксации.

Свойства:

1. Внутри проводника помещенного во внешнее электростатическое поле (внутри проводника поле равно 0) Силовые линии должны быть перпендикулярны поверхности проводника (нет движения зарядов ни внутри ни на поверхности проводника). На поверхности есть заряд (эл. поле), значит (касательное направление поля), следовательно сила вдоль поверхности !!! Нет движения зарядов по поверхности!!!

2. Силовые линии эл. поля перпендикулярны поверхности проводника

3. Поверхность проводника эквипотенциальна ( все точки поверхности имеют одинаковый потенциал), следовательно внутри проводника нет объемных зарядов, следовательно весь объем проводника эквипотенциален.

4. поле внутри полости. Пусть в заряженном проводнике (помещенном в эл. поле) есть полость. Найдем поле внутри этой полости. Предположим, что пол е внутри полости равно 0.

(теорема о циркуляции)

Поле внутри полости заряженного проводника равно нулю!!!

5. Заряды на поверхности располагаются так, чтобы их взаимная потенциальная энергия была минимальна (где радиус кривизны минимален). - поверхностная плотность индуцированных зарядов (заряд приходящийся на единицу площади).

- радиус кривизны. Где радиус кривизны меньше, там больше (острие проводника). Данное явление называется стекание зарядов с острия проводника.

В/м (в области острей). Сильное эл. поле (около острей) ионизирует среду и может привести к пробою диэлектрика, к возникновению коронного разряда. Явление электромагнитной индукции наблюдается в опытах Фарадея (один из опытов – это опыт иллюстрирующий принцип действия зарядного устройства, так называемая балка Фарадея).

Повторяя процедуру можно добиться большего заряда на поверхности.

Перечисленные свойства справедливы для: незаряженного проводника в электростатическом поле; для заряженного проводника.

Метод изображения – используется, если есть проводящие поверхности и точечные заряды.

Поле образованное точечными зарядами и проводящими поверхностями есть суперпозиция точечных зарядов и их изображений.

Вопрос 14. Диэлектрики в электрическом поле. Поляризация диэлектриков. Полярные и неполярные диэлектрики. Сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электреты. Прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты и их применение.

При помещении диэлектрика в электрическое поле происходит поляризация диэлектрика, приобретение объемом диэлектрика объемного связанного заряда. Поле внутри диэлектрика есть и оно ослабляет внешнее электрическое поле. Заряды внутри диэлектрика называют связанными зарядами, а заряды которые помещаются в диэлектрик из вне и заряды сторонних тел – свободными (сторонними) зарядами.

Поведение диэлектриков определяется их внутренним строением. В молекуле диэлектрика нет свободных валентных электронов; заряды привязаны к ядру. Введем понятие центра положительного и отрицательного зарядов:

I. Неполярные диэлектрики – молекулы у которых совпадают (например: молекулы атома Н₂, О₂); молекулы симметричны; Не обладают изначальным дипольным моментом р=0

II. Полярные диэлектрики – молекулы, у которых центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают: . В молекулах (например Н₂О) пространственно разделены центры положительных и отрицательных зарядов; Дипольный момент не равен нулю, даже в отсутствии внешнего поля: .

Сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электреты.

Сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики и электреты относят к нелинейным диэлектрикам. Нелинейные диэлектрики – вещества, у которых модуль вектора поляризации не линейно зависит от величины внешнего электрического поля.

I. Электреты (смолы, стекла, воск). диэлектрики, способные длительное время находиться в наэлектризованном состоянии после снятия внешнего воздействия, вызвавшего электризацию (электрические аналоги постоянных магнитов). Получают из восков и смол, полимеров, неорганических диэлектриков, охлаждая их в сильном электрическом поле (термоэлектреты) или облучая светом фотопроводящие диэлектрики в сильном электрическом поле (фотоэлектреты). Применяются в качестве источников постоянного электрического поля в технике связи (микрофоны и телефоны), как чувствительные датчики в дозиметрии, как пьезодатчики и т. д.

II. Пьезоэлектрики – кристаллы. Поляризуются при механическом воздействии (сжатие, растяжении). Каждый пьезоэлектрик является электромеханическим преобразователем. Если его поместить в переменное электрическое поле, то амплитуда механических колебаний удет меняться с частотой переменного поля.

III. Сегнетоэлектрик. Сильно поляризуются под действием внешнего электрического поля. Эти нелинейные свойства сохраняются в некотором температурном интервале. Для них характерна некоторая температура – точка Кюри – выше этой точки сегнетоэлектрики теряют свою нелинейность. Домен – макроскопическая область, ниже температуры Кюри, в которой дипольные моменты атомов имеют строгую ориентацию. Если сегнетоэлектрик поместить в поле, то домены будут перестраиваться по направлению внешнего электрического поля. Нелинейные свойства определяют домены. Сегнетоэлектрики являются очень хорошими диэлектриками. К сегнетоэлектрикам относятся сегнетова соль, титанат бария (BaTiO3), дигидрофосфаты калия (KH2PO4) и аммония, ниобат лития (LiNbO3) и др. Известно несколько сотен сегнетоэлектриков, в т. ч. сегнетокерамика. Применяются главным образом как пьезоэлектрические преобразователи в детекторах электромагнитных излучений, а также в различных конденсаторах.

IV. Пироэлектрики. кристаллические диэлектрики, на поверхности которых при изменении температуры появляются электрические заряды. Пироэлектриками могут быть лишь нецентросимметричные кристаллы. Все пироэлектрики являются пьезоэлектриками (но не обратно), некоторые пироэлектрики обладают сегнетоэлектрическими свойствами. Типичный пироэлектрик — турмалин.

Прямой и обратный пьезоэлектричекий эффекты и их применение

Возникновение электрической поляризации в веществе в отсутствие электрического поля при упругих деформациях (прямой пьезоэлектрический эффект) и появление механических деформаций под действием электрического поля (обратный пьезоэлектрический эффект). Первое исследование пьезоэлектрического эффекта осуществлено П. Кюри (1880) на кристалле кварца. Пьезоэлектрический эффект обнаружен более чем у 1500 веществ. Пьезоэлектрический эффект наблюдается у всех сегнетоэлектриков и у многих пироэлектриков. Прямой пьезоэффект используют в технике для преобразования механических напряжений или деформаций в электрические сигналы (звукосниматели, датчики деформаций, приемники ультразвука и др.) Обратный пьезоэффект используется для преобразования электрических сигналов в механические (акустические излучатели, генераторы ультразвука и др.)

Вопрос 15. Свободные и связанные заряды. Вектор поляризации (поляризованность). Поверхностная плотность связанных зарядов. Связь вектора поляризации с поверхностной плотностью связанных зарядов.

Связанные заряды внутри компенсируют друг друга. Некомпенсированный заряд находится на внешних поверхностях диэлектрика.

Поверхностная плотность связанных зарядов - физическая величина показывающая степень поляризации диэлектрика и равная заряду приходящемуся на единицу площади.

Вектор поляризации – векторная физическая величина характеризующая степень поляризации диэлектрика и равная дипольному моменту в единице объема.

Связь вектора поляризации с поверхностной плотностью связанных зарядов.

Рассмотрим поведение диэлектрика во внешнем электрическом поле в виде косого параллепипеда; углы образуют торцы с внешним электрическим полем. Всему объему можно приписать:

1)Полный дипольный момент всего .образца – есть заряды на расстояние между ними.

Получили что, поверхностная плотность связанных зарядов равна нормальной составляющей вектора поляризации диэлектрика.

Поляризация диэлектрика пропорциональна величине внешнего поля