Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектрики не содержат коллективизированных «свободных» электронов и не проводят ток. Есть два основных типа диэлектриков.

1) Состоящие из полярных молекул (диполей, т.е. «свободных электрических полюсов»), которые в отсутствие внешнего поля расположены хаотически (а);

Примеры: дистиллированная вода, каменная соль.

Внешнее поле оказывает ориентирующее действие на диполи в диэлектрике (б).

а)

б)

2) Состоящие из электрически нейтральных молекул (в).

Под действием внешнего поля ядра атомов в молекулах такого вещества сдвигаются в одну сторону, электроны – в другую. Деформирующее действие поля превращает молекулы диэлектрика в диполи (г).

-+ -+ - + - +

- + - +

- + - + - +

- + - + - +

- + - +

в) г)

Процессы (1) и (2) реагирования диэлектриков на внешнее электрическое поле называются поляризацией диэлектрика.

Диэлектрическая проницаемость

Внутри диэлектрика, помещенного в электрическое поле напряженностью , обнаруживается электрическое поле. Его напряженность . .

+ - -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

Физическая величина, показывающая, во сколько раз напряженность поля, в котором находится диэлектрик, больше, чем напряженность поля в диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью .

Примеры: .

Формула Кулона для случая взаимодействия зарядов, помещенных в диэлектрическую среду:

.

Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз диэлектрик ослабляет взаимодействие зарядов.

Потенциал электрического поля

Условно назовем «бесконечностью» участок пространства, настолько удаленного от заряда , что в нем практически не обнаруживаются его действие на . На рисунке он обозначен как .

Физическая величина, численно равная работе электрического поля при удалении единичного пробного заряда из некоторой точки поля на «бесконечность», называется потенциалом данной точки поля.

,

где - потенциальная энергия электрического взаимодействия зарядов и на и в точке 1 соответственно.

Потенциал - величина, численно равная значению потенциальной энергии единичного пробного заряда в некоторой точке поля.

(Потенциал – скаляр, энергетическая характеристика поля, характеристика его «работоспособности».)

, .

Потенциальность электростатического поля

2 3

1 4

При переносе заряда в электрическом поле заряда по замкнутому контуру 1, 2, 3, 4, 1 совершается работа:

.

На участках и силы электрического поля вследствие их перпендикулярности участкам не совершают работы, а на участке внешняя сила совершает работу против сил электрического поля (их работа отрицательна):

.

Итак, работа по переносу заряда по замкнутому контуру: , значит, силы электростатического поля потенциальны. Силы, работа которых на замкнутом пути равна нулю, называют потенциальными.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ

Пусть на металлической пластине находится заряд , вследствие чего потенциал любой ее точки . Привнесение добавочного заряда на любую часть пластины увеличит потенциал всех точек пластины (благодаря растеканию этого по всей пластине), т.е. , откуда

или .

Величина ( от «capacity» - емкость), численно равная заряду, сообщение которого проводнику увеличивает потенциал любой его точки на 1 вольт, называется электрической емкостью.

, .

1 фарад – очень большая емкость (такую емкость имел бы уединенный металлический шар, радиус которого приблизительно в 1500 раз превышал радиус Земли (!). На практике пользуются дольными единицами:

микрофарад (1мкФ=10^-6Ф) и пикофарад (1пФ=10^-12Ф).

Конденсаторы

Емкость плоского конденсатора

Конденсатор – устройство, позволяющее в малом участке пространства накопить большой заряд. Конденсатор состоит из двух близко расположенных проводников (обмоток), разделенных слоем диэлектрика.

Для любых двух проводников

,

где - разность потенциалов этих проводников, или напряжение между обмотками.

Наиболее распространены плоские конденсаторы. Формула емкости плоского конденсатора

S

: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

Соединение конденсаторов

а) Параллельное соединение конденсаторов позволяет получить большие емкости.

+ + + +

− − − −

б) Последовательное соединение конденсаторов

║ ║ ║ ║

+ − + − + − + −

Если в батарею последовательно соединено конденсаторов одинаковой емкости, то емкость батареи в раз меньше емкости каждого конденсатора, и напряжение на каждом конденсаторе тоже в раз меньше.

Энергия электростатического поля

В качестве примера рассчитаем энергию поля заряженного конденсатора в процессе его разрядки.

.

Выражая из формулы сначала , а затем , получим

.

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Раздел физики, изучающий явления, обусловленные движением электрических зарядов.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Это процесс упорядоченного (направленного) движения заряженных частиц.

Наиболее известны токи в металлах, обусловленные наличием разности потенциалов на концах некоторого проводника и представляющие собой упорядоченное движение коллективизированных электронов металла.

Коллективизированные (или «свободные») электроны в металлах появляются благодаря плотной упаковке атомов в кристалле. «Обобществляются» при этом наиболее периферийные (валентные) электроны атомов, получающие возможность передвижения по кристаллу.

электрическая

сила

е - - е

+

+

+

- +

+

+

+

-

а) б)

+ +

+

а) Движение «свободных» электронов при отсутствии внешнего электрического поля (при отсутствие ) хаотическое .

б) Под действием внешнего поля электроны, продолжая хаотическое движение, направленно дрейфуют.

.

Сила тока

Направленное движение заряженных частиц может происходить с различными скоростями. Быстроту движения зараженных частиц характеризуют силой тока

.

Сила тока численно равна заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за секунду.

.

Эта единица, одна из основных в СИ, вводится на основании магнитного взаимодействия проводников с током. Формула силы тока используется для формулировки единицы заряда: кулон – это заряд, прохождение которого через сечение проводника за секунду создает в проводнике ток в один ампер.

Если ни быстрота, ни направление движения заряда с течением времени не меняются, ток называют постоянным.

В случае постоянного тока для любых промежутков времени:

.

.

Источники тока. Электродвижущая сила

Для продолжительного протекания тока через проводник (тока проводимости) необходимо длительное поддержание разности потенциалов на концах проводника. Для этого практически не применима электризация трением.

Были изобретены различного типа устройства для разобщения разноименных зарядов атомов (или молекул): магнитомеханические, электрохимические, термоэлектрические, фотоэлектрические. Такие устройства могут использоваться как источники тока.

Действующие в источниках тока силы, разобщающие, вопреки кулоновским силам, разноименные заряды, называются сторонними силами.

Примером источника тока может служить аккумулятор, внутри которого химические силы разделяют молекулы на положительные и отрицательные ионы и переносят их на клеммы (зажимы) аккумулятора.

Энергетическую характеристику источника тока назвали электродвижущей силой (ЭДС) и обозначили .

ЭДС учитывает только вторую функцию сторонних сил – перенос уже разделенных разноименных зарядов.

Простейшая электрическая цепь – совокупность источника тока, потребителя и соединительных проводов.

1 2

+ - −

+

В металле ток создается движением электронов от клеммы “ − ”, однако за направление тока исторически принято движение положительных зарядов (от ” + “ к “ − ”).

Хотя непосредственно сторонние силы проявляются внутри источника, работу они выполняют во всей цепи.

.

Формула электродвижущей силы:

.

Эта величина численно равна работе сторонних сил по переносу единичного заряда в цепи.

.

Закон Ома для однородного участка цепи.

Электрическая проводимость и сопротивление

Мысленно выделим в электрической цепи однородный участок . На нем .

* *

1 2

Зависимость тока от геометрических размеров и материала участка учитывается коэффициентом (электрическая проводимость):

,

Чаще пользуются обратной величиной – сопротивлением .

Тогда:

.

(Закон Ома: сила тока прямо пропорциональна напряжению на участке цепи и обратно пропорциональна сопротивлению участка).

Сопротивление проводника (проволоки): ,

где и - длина и площадь поперечного сечения проводника. Коэффициент , учитывающий свойства материала, называется удельным сопротивлением, .

С использованием температуры по Цельсию зависимость удельного сопротивления от температуры:

.

Термический коэффициент сопротивления для чистых металлов:

.

Закон Ома для полной цепи

,

где - ЭДС источника, - внешнее сопротивление (сопротивление внешних по отношению в источнику тока участков), - внутреннее сопротивление (сопротивление источника).

Работа и мощность тока. Закон Джоуля – Ленца

Так как работа электрического поля , то выражая заряд через силу тока, получим , или . В случае постоянного тока за счет работы тока происходит тепловыделение в металле:

.

Количество теплоты , выделяемое постоянным током в проводнике, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику (закон Джоуля – Ленца): .

Мощность тока .

Носители сопротивления в цепях.

Соединение резисторов

Нерегулируемые устройства, которые включаются в цепь для изменения ее сопротивления , называются резисторами (а).

Устройства, сопротивление которых можно регулировать (б), называются реостатами. Резисторы изготавливаются из металлов; проводящей керамики, содержащей углерод; специальных композитов.

* *

а) б)

При последовательном соединении резисторов все электроны проводимости (весь ток) проходят через каждый из резисторов, вследствие чего увеличивается число столкновений электронов с ионами, т.е. увеличивается сопротивление участка

;

; .

При параллельном соединении резисторов ток растекается: часть идет через , часть – через и т.д., что ведет к увеличению электрической проводимости:

,

или ;

, .

* *