7) Диэлектрики. Поляризация диэлектриков. Поляризованность. Поле внутри диэлектриков.

Диэлектрики – это такие тела, внутри которых отсутствуют свободные заряды, поэтому проводимость диэлектриков в 10 тыс. раз хуже чем у проводников.

По своим электрическим свойствам диэлектрики можно разделить на неполярные и полярные.

Неполярные диэлектрики – вещества, молекулы которых имеют симметричное строение, т. е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают и, следовательно, дипольный момент молекулы р равен нулю.

Полярные диэлектрики - вещества, молекулы которых имеют асимметричное строение, т. е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Эти молекулы в отсутствие внешнего электрического поля обладают дипольным моментом.

Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появления под воздействием внешнего электрического поля ориентированных по полю диполей.

Различают три вида поляризации:

- электронная

- ориентационная

- ионная

Поляризованность диэлектрика – явление поляризации диэлектрика то есть возникновения поверхностных зарядов характеризуется поляризованностью.

Поляризованность равна сумме всех электрических моментов молекул, деленных на объем, в котором эти молекулы находятся.

Поместим образец диэлектрика в однородное электрическое поле, которое создается двумя бесконечными параллельными пластинами с поверхностной плотностью заряда . На поверхности диэлектрика появляются связанные заряды с поверхностной плотностью сигма. Эти заряды появляются в результате поляризации.

Результирующее поле внутри диэлектрика -

Диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз внешнее поле ослабляется диэлектриком.

8) Электроемкость. Конденсаторы. Емкость плоского конденсатора. Виды соединения конденсатора

Величина, равная отношению заряда уединенного проводника (проводник, который находится далеко от других тел, что влиянием их электрических полей можно пренебречь) к его потенциалу называется электрической емкостью.

Единица электроемкости — фарад (Ф)

Конденсатор – это такие устройства, которые при небольших размерах и небольших потенциалах имеют свойства накапливать заряды.

Конденсатор состоит из двух проводников (обкладок), разделенных диэлектриком.

Емкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью S каждая, расположенных на расстоянии d друг от друга и имеющих заряды +Q и —Q. Если расстояние между пластинами мало по сравнению с их линейными размерами, то краевыми эффектами можно пренебречь и поле между обкладками считать однородным. Его можно рассчитать используя формулы (86.1) и (94.1). При наличии диэлектрика между обкладками разность потенциалов между ними, согласно (86.1),

(94.2)

где  — диэлектрическая проницаемость. Тогда из формулы (94.1), заменяя Q = S с учетом (94.2) получим выражение для емкости плоского конденсатора:

У конденсаторов существует также два вида соединения: последовательное и параллельное.

У параллельно соединенных конденсаторов разность потенциалов на обкладках конденсаторов одинакова и равна _A - _B . Если емкости отдельных конденсаторов С₁, С₂, ..., С_n, то, согласно (94.1), их заряды равны

а заряд батареи конденсаторов

Полная емкость батареи

т. е. при параллельном соединении конденсаторов она равна сумме емкостей отдельных конденсаторов.

У последовательно соединенных конденсаторов заряды всех обкладок равны по модулю, а разность потенциалов на зажимах батареи

где для любого из рассматриваемых конденсаторов _I = Q/C_i. С другой стороны,

откуда

т. е. при последовательном соединении конденсаторов суммируются величины, обратные емкостям. Таким образом, при последовательном соединении конденсаторов результирующая емкость С всегда меньше наименьшей емкости, используемой в батарее.

9) Энергия электрического поля (системы зарядов, заряженного конденсатора, энергия электростатического поля)

Электростатические силы взаимодействия консервативны ; следовательно, система зарядов обладает потенциальной энергией. Каждый из зарядов в поле другого обладает потенциальной энергией :

где ₁₂ и ₂₁ — соответственно потенциалы, создаваемые зарядом Q₂ в точке нахождения заряда Q₁ и зарядом Q₁ в точке нахождения заряда Q₂.

Добавляя к системе из двух зарядов последовательно заряды Q3, Q4, … можно убедиться в том, что в случае и неподвижных зарядов энергия взаимодействия системы точечных зарядов равна

где _i — потенциал, создаваемый в той точке, где находится заряд Q_i, всеми зарядами, кроме i-ro.

Как всякий заряженный проводник, конденсатор обладает энергией, которая

равна

где Q — заряд конденсатора, С — его емкость,  — разность потенциалов между обкладками конденсатора.

Подставим в это выражение механическую силу получим:

Преобразуем формулу выражающую энергию плоского конденсатора посредством зарядов и потенциалов, воспользовавшись выражением для емкости плоского конденсатора (C = ₀S/d) и разности потенциалов между его обкладками ( = Ed). Тогда

где V = Sd — объем конденсатора. Формула (95.7) показывает, что энергия конденсатора выражается через величину, характеризующую электростатическое поле, — напряженность Е.