47.Диэлектрики в электростатическом поле

Диэлектрики (изоляторы) — это вещества, в которых практически отсутствуют свободные носители зарядов. Термин «диэлектрик» происходит от греческого слова dia — через, сквозь и английского слова electric — электрический. Этот термин ввел М. Фарадей в 1838 г. для обозначения веществ, в которые проникает электрическое поле. Резкой границы между проводниками и диэлектриками нет, так как все вещества в той или иной степени способны проводить электрический ток. Но если в веществе свободных зарядов в 1015-1020 раз меньше, чем в металлах, то в таких случаях слабой проводимостью вещества можно пренебречь и считать его идеальным диэлектриком. Почти все заряженные частицы внутри диэлектрика связаны между собой и не способны передвигаться по объему тела. Они могут только незначительно смещаться относительно своих равновесных положений. Диэлектриками являются все неионизированные газы, многие чистые жидкости (дистиллированная вода, масла, бензины) и твердые тела (пластмассы, стекла, керамика, кристаллы солей, сухая древесина). Существуют полярные и неполярные диэлектрики. Неполярный диэлектрикРассмотрим схему простейшего атома – атома водорода Положительный заряд атома, заряд его ядра, сосредоточен в центре атома. Вокруг ядра движется электрон со скоростью порядка 106 м/с и уже за 10–9 с успевает совершить миллион оборотов. Поэтому орбиту электрона можно рассматривать как электронное облако, расположенное симметрично относительно ядра. Следовательно, даже за очень малый промежуток времени центр распределения отрицательного заряда приходится на середину атома, т.е. совпадает с положительно заряженным ядром. Диэлектрики, состоящие из атомов и молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают, называются неполярными. Примерами таких веществ являются одноатомные благородные (инертные) газы; газы, состоящие из симметричных двухатомных молекул (кислород, водород, азот); различные органические жидкости (масла, бензины); некоторые твердые тела (пластмассы). Поместим такой диэлектрик в однородное электростатическое поле с напряженностью . На отрицательно и положительно заряженные частицы начинают действовать силы, направленные в противоположные стороны (риспреимущественно отрицательные заряды диполей, а на другой – положительные Внутри любого объема диэлектрика суммарный электрический В результате молекула растягивается и происходит незначительное смещение центров положительного и отрицательного зарядов. Образуется система двух точечных зарядов q, равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии l друг от друга (рис. 6). Такую нейтральную в целом систему зарядов называют электрическим диполем. Электрический диполь создает электрическое поле напряженностью Едi, которая направлена против напряженности внешнего поля Е0. В диэлектрике, состоящем из множества таких диполей, с напряженность Едi, общая напряженность Е становится меньше напряженности внешнего поля Е0 Вследствие смещения зарядов на одной поверхности диэлектрика появляются заряд молекул в этом объеме равен нулю. Заряды, которые образуются на поверхности диэлектрика, помещенного в электрическое поле, называются связанными. Смещение связанных положительных и отрицательных зарядов диэлектрика в противоположные стороны под действием приложенного внешнего электростатического поля называют поляризацией. Поляризация диэлектрика, в результате которой происходит смещение электронных оболочек, называется электронной поляризацией. Электронная поляризация происходит в атомах любого диэлектрика, помещенного в электрическое поле. Полярный диэлектрикМногие диэлектрики (H2O, H2S, NO2) образованы из молекул, каждая из которых является электрическим диполем и в отсутствии внешнего электрического поля. Такие молекулы и образованные ими диэлектрики называются полярными. Например, молекула поваренной соли NaCl. При образовании молекулы единственный валентный электрон натрия захватывается хлором. Оба нейтральных атома превращаются в систему из двух ионов с зарядами противоположных знаков. Центр положительного заряда молекулы приходится на ион натрия (Na), а отрицательного – на ион хлора (Cl) При отсутствии внешнего поля молекулярные диполи из-за теплового движения расположены хаотично, поэтому их суммарный дипольный момент равен нулю. Поместим полярный диэлектрик в однородное электростатическое поле с напряженностью . Со стороны этого поля на диполь будут действовать две силы, одинаковые по модулю и противоположные по направлению. Эти силы создают вращающий момент, стремящийся повернуть диполь так, чтобы его ось была направлена по линии напряженности поля (рис. 10). Но этому препятствует тепловое движение. В результате молекула поворачивается лишь частично Поворот электрических диполей приводит к появлению еще одного электрического поля с напряженностью Едi, которая направлена против напряженности внешнего поля Е0. В таком диэлектрике общая напряженность Е становится меньше напряженности внешнего поля Е0. Вследствие поворота молекул на одной поверхности диэлектрика появляются преимущественно отрицательные заряды диполей, а на другой – положительные (см. рис. 11). Такие заряды называются связанные. Внутри диэлектрика отрицательные и положительные заряды диполей компенсируют друг друга и средний электрический заряд диэлектрика равен нулю. Такой механизм поляризации называется ориентационным. Полная ориентация диполей (состояние насыщения) может быть достигнута лишь в сильных полях при температурах, близких к абсолютному нулю.Для насыщение при комнатных температурах необходимы поля напряженностью 1010 – 1012 В/м. Но чаще всего, даже при значительно меньших напряженностях, наступает пробой диэлектрика. У полярных диэлектриков, наряду с ориентационной поляризацией, наблюдается и электронная поляризация. Однако эффект ориентации диполей на несколько порядков превосходит эффект смещения зарядов, поэтому последним часто пренебрегают.

48. Поляризация диэлектриков.

Диэлектрик- вещество, кот не проводит электрический ток, они поляризуются, и появляется степень диэлектрической проницаемости. В результате внесения диэлектриков в электрическое поле диэлектрик будет поляризоваться. В результате поляризации часть линий пройдёт через диэлектрик, а вторая часть прервётся. Поляризация диэлектриков вызывает уменьшение диэлектрического поля, по сравнению с отсутствием ёмкости. Мы можем в 2 раза уменьшить плотность. Поляризация бывает: электронная (при внесении нейтрального диэлектрика.возникает эл.поляризация.За счёт эл.оболочек), ионная (внешнее эл.поле взрывается и появляется поляриз момент), дипольная (подвергаются полярные диэлектрики у котор.молекулы представл собойдиполь вида(как знак бесконечности),но отссутствие поля).

49. В атомах тех веществ, где электрон находится далеко от ядра и слабо с ним связан (например, в стекле), энергия связи электрона с атомом мала. Электрон может легко оторваться от атома. Атом при этом превращается в положительный ион, а вещество (стеклянная палочка) заряжается положительно.

В других веществах (например, в шелке) ядро атома сильно удерживает электрон. Атом этого вещества может присоединить к себе дополнительный электрон, образуя отрицательный ион. Вещество (шелк) при этом заряжается отрицательно. В результате трения стекло заряжается положительно, а шелк — отрицательно. Иными словами, электрические заряды не создаются и не исчезают, они лишь перераспределяются между контактирующими телами.

Система тел, которая не взаимодействует с окружающими телами, называется замкнутой или изолированной системой тел.Явление электризации тел подчиняется закону сохранения электрического заряда: во всех явлениях электризации тел в замкнутой системе суммарный электрический заряд сохраняется.

50:.Электростатическое поле в вакууме.Закон Кулона

Раздел физики, в котором изучаются свойства электрических зарядов и явления, обусловленные их взаимодействием, называется- электродинамикой. Известным из опыта фундаментальным свойством электрического заряда является то, что он существует в двух видах, условно называемых положительными и отрицательные. В современной терминологии «смоляное» электричество соответствует отрицательным зарядам, а «стекольное» – положительным. Взаимодействие зарядов противоположных знаков, как показывает опыт, заключается в их взаимном притяжении, а одноименные заряды отталкиваются друг от друга. Электрический заряд имеет дискретную природу. Суммарный заряд всякой изолированной системы сохраняется. Это свойство называется законом сохранения электрического заряда. Когда заряды присутствуют в одинаковых количествах, тело называют электрически нейтральным, или незаряженным. Закон Куло́на — это закон о взаимодействии точечных электрических зарядов. Шарль Кулон дал такую формулировку закона: Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Следовательно, силы взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов направлены вдоль прямой, соединяющей эти заряды.

51: Напряжённость электростатического поля

Напряженность электростатического поля - это силовая характеристика электростатического поля, численно равная силе, действующей на единичный положительный заряд. Напряженность электростатического поля - векторная величина. Напряженность электрического поля: E = F/Qпробный Напряженность электростатического поля (точечного заряда): 

где r - расстояние от заряда Q, создающего поле, до точки поля, в которой определяется напряженность. Единица напряженности - вольт на метр (В/м) Электростатическое поле представляется графически силовыми линиями или линиями напряженности.

52. В свою очередь они определяют число силовых линий и линий индукции, исходящих из заряженного тела (заряда). Существует прямая пропорциональная связь между величинами электрических и магнитных зарядов и количествами силовых линий и линий индукции. Теорема Остроградского-Гаусса утверждает, что суммарное число линий, проходящих через замкнутую поверхность, охватывающую электрические и магнитные заряды, равно алгебраической сумме линий, выходящих из каждого заряда в отдельности. Заметим, что линии напряженности и индукции – это крайне формальные понятия, в течение длительного времени затруднявшие правильное понимание электрических и магнитных явлений.Вместе с тем эти понятия легко получить из общей теории, так как напряженность и индукция непосредственно связаны (пропорциональны) с потоком нанозаряда, а сам поток – с величиной излучающего его макро или микрозаряда.Таким образом, из общей теории как частный случай вытекает теорема Остроградского-Гаусса. Она есть следствие теоремы о суммировании зарядов, справедливой только для стационарного режима и только в условиях, когда отсутствует взаимное влияние между зарядами. В реальных условиях теорема Остроградского-Гаусса неточно отражает действительность.

53. Эквипотенциальная поверхность — понятие, применимое к любому потенциальному векторному полю, например, к статическому электрическому полю или к ньютонову гравитационному полю (Гравитации). Эквипотенциальная поверхность — это поверхность, на которой скалярный потенциал данного потенциального поля принимает постоянное значение. Другое, эквивалентное, определение — поверхность, в любой своей точке ортогональная силовым линиям поля.Поверхность проводника в электростатике является эквипотенциальной поверхностью. Кроме того, помещение проводника на эквипотенциальную поверхность не вызывает изменения конфигурации электростатического поля. Этот факт используется в методе изображений, который позволяет рассчитывать электростатическое поле для сложных конфигураций.В гравитационном поле уровень неподвижной жидкости устанавливается по эквипотенциальной поверхности. В частности, по эквипотенциальной поверхности гравитационного поля Земли проходит уровень океанов. Эквипотенциальная поверхность уровня океанов, продолженная на поверхность Земли, называется геоидом и играет важную роль в геодезии. Потенциальный характер электростатического поля Взаимодействие между неподвижными зарядами осуществляется посредством электростатического поля: взаимодействуют не заряды, а один заряд в месте своего расположения взаимодействует с полем, созданным другим зарядом. В этом заключается идея близкодействия - идея передачи взаимодействий через материальную среду, через поле.

54. В области ОАВ - несамостоятельный разряд. В области ВС разряд становится самостоятельным. При самостоятельном разряде одним из способов ионизации атомов является ионизация электронным ударом. Ионизация электронным ударом становится возможна тогда, когда электрон на длине свободного пробега А приобретает кинетическую энергию Wk, достаточную для совершения работы по отрыву электрона от атома. Виды самостоятельных разрядов в газах - искровой, коронный, дуговой и тлеющий разряды.

56. Вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, называются полупроводниками. Чистые полупроводники. Каждый атом имеет четыре соседа, с которыми связан ковалентными связями. При низкой температуре электроны связаны с атомами; свободных носителей заряда нет. При увеличении температуры энергия электроновувеличивается и они рвут связи, а на их месте образуется положительная дырка.Собственная проводимость называется электронно-дырочной: N- = N+.Примесная проводимостьДонорная (электронная) n-типа (Si+As)

As имеет 5 электронов. Один не участвует в образовании ковалентной связи.

Один атом дает один свободный электрон: N- >> N+

акцепторная (дырочная) р-типа (Si+ln)

Примесь из 3 группы)

In имеет 3 электрона. На месте одной из ковалентных связей образуется положительная дырка.

Один атом дает одну дырку: N+ >> N-

Терморезисторы, фоторезисторы

Освещение, повышение температуры приводят к интенсивности разрыва ковалентных связей и появлению большого числа носителей заряда; R уменьшается. На этом основано устройство термо- и фоторезисторов.Зная показания амперметра и зависимость сопротивления термистора от t, можно найти температуру.