лекція 26-1
Речовина, внесена в електричне поле, може істотно змінити його. Це пов'язано з тим, що речовина складається з заряджених частинок. Під час відсутності зовнішнього поля частинки розподіляються всередині речовини так, що створюване ними електричне поле в середньому за обсягами, що включає велику кількість атомів або молекул, дорівнює нулю. При наявності зовнішнього поля відбувається перерозподіл заряджених частинок, і в речовині виникає власне електричне поле. Повний електричне поле складається відповідно до принципу суперпозиції з зовнішнього поля і внутрішнього поля створюваного зарядженими частинками речовини.
Речовина різноманітне за своїми електричними властивостями. Найбільш широкі класи речовини становлять провідники і діелектрики.
Провідники в електричному полі.
Проводнікаміназивают речовини, які проводять електричний струм.
Основна особенностьпроводніков - наявність свободнихзарядов (електронів), які беруть участь в тепловому русі і можуть переміщатися по всьому об'єму провідника. Типові провідники - метали.
Під час відсутності зовнішнього поля в будь-якому елементі обсягу провідника негативний вільний заряд компенсується позитивним зарядом іонної решітки. У провіднику, внесеному в електричне поле, відбувається перерозподіл вільних зарядів, в результаті чого на поверхні провідника виникають нескомпенсовані позитивні і негативні заряди. Цей процес називають електростатичною індукцією. а що з'явилися на поверхні провідника заряди - індукційними зарядами.
Явище перерозподілу зарядів всередині провідника під дією зовнішнього електричного поля називаетсяелектростатіческой індукцією.
Заряди, що з'являються на поверхні провідника, називаютсяіндукціоннимі зарядами.
Індукційні заряди створюють своє власне поле. яке компенсує зовнішнє поле у всьому обсязі провідника:
Повний електростатичне поле усередині провідника дорівнює нулю, а потенціали у всіх точках однакові і рівні потенціалу на поверхні провідника.
Всі внутрішні області провідника, внесеного в електричне поле, залишаються електронейтральних. Якщо видалити певний обсяг, виділений всередині провідника, і утворити порожню порожнину, то електричне поле усередині порожнини дорівнюватиме нулю. На цьому заснована електростатичний захист - чутливі до електричного поля прилади для виключення впливу поля поміщають в металеві ящики.
Електростатичний захист.Поле в металевій порожнини дорівнює нулю.
Діелектрики в електричному полі.
Діелектриками (ізоляторами) називають речовини, що не проводять електричного струму.
На відміну від провідників, в діелектриках (ізоляторах) немає вільних електричних зарядів. Вони складаються з нейтральних атомів або молекул. Заряджені частинки в нейтральному атомі пов'язані один з одним і не можуть переміщатися під дією електричного поля по всьому об'єму діелектрика.
При внесенні діелектрика в зовнішнє електричне поле в ньому виникає певний перерозподіл зарядів, що входять до складу атомів або молекул. В результаті такого перерозподілу на поверхні діелектричного зразка з'являються надлишкові нескомпенсовані пов'язані заряди. Все заряджені частинки, що утворюють макроскопічні пов'язані заряди, як і раніше входять до складу своїх атомів.
Пов'язані заряди створюють електричне поле, яке всередині діелектрика направлено протилежно вектору напруженості зовнішнього поля. Цей процес називається поляризацією діелектрика.
Електричної полярізаціейназивают особливий стан речовини, при якому електричний момент деякого об'єму цієї речовини не дорівнює нулю.
В результаті повне електричне поле всередині діелектрика виявляється по модулю менше зовнішнього поля.
Фізична величина, що дорівнює відношенню модуля напруженості зовнішнього електричного поля в вакуумі до модуля напруженості повного поля в однорідному діелектрику, називаетсядіелектріческой проникністю речовини.
Діелектрична проникність середовища показує, у скільки разів напруженість поля в вакуумі більше, ніж в діелектрику. Це величина безрозмірна (немає одиниць виміру).
При поляризації неоднорідного діелектрика пов'язані заряди можуть виникати не тільки на поверхнях, але і в обсязі діелектрика. В цьому випадку електричне поле зв'язаних зарядів і повне поле можуть мати складну структуру, що залежить від геометрії діелектрика. Твердження про те, що електричне поле в діелектрику в ε разів менше за модулем в порівнянні із зовнішнім полем строго справедливо лише в разі однорідного діелектрика. заповнює весь простір, в якому створено зовнішнє поле. Зокрема:
Якщо в однорідному діелектрику з діелектричної проникністю ε знаходиться точковий заряд q. то напруженість поля, створюваного цим зарядом в деякій точці, і потенціал φ в ε разів менше, ніж у вакуумі:
Існує кілька механізмів поляризації діелектриків. Основними з них є орієнтаційна. електронна і іонна поляризації. Орієнтаційна і електронна механізми проявляються головним чином при поляризації газоподібних і рідких діелектриків, іонна - при поляризації твердих діелектриків.
1. Ориентационная або дипольна поляризація виникає в разі полярних діелектриків. що складаються з молекул, у яких центри розподілу позитивних і негативних зарядів не збігаються. Такі молекули являють собою мікроскопічні електричні диполі - нейтральну сукупність двох зарядів, рівних по модулю і протилежні за знаком, розташованих на деякій відстані один від одного.
Дипольниммоментом володіє, наприклад, молекула води, а також молекули ряду інших діелектриків (H2 S, NO2 і т. Д.).
При відсутності зовнішнього електричного поля осі молекулярних диполів орієнтовані хаотично через теплового руху, так що на поверхні діелектрика і в будь-якому елементі обсягу електричний заряд в середньому дорівнює нулю.
При внесенні діелектрика в зовнішнє поле виникає часткова орієнтація молекулярних диполів. В результаті на поверхні діелектрика з'являються нескомпенсовані макроскопічні пов'язані заряди, що створюють поле, спрямоване назустріч зовнішньому полю.
Орієнтаційний механізм поляризації полярного діелектрика
Поляризація полярних діелектриків сильно залежить від температури, тому що тепловий рух молекул відіграє роль дезорієнтуючі фактора.
2. Електронний або пружний механізм проявляється при поляризації неполярних діелектриків, молекули яких не мають у відсутність зовнішнього поля дипольниммоментом.
Під дією електричного поля молекули неполярних діелектриків деформуються - позитивні заряди зміщуються в напрямку вектора, а негативні - в протилежному напрямку. В результаті кожна молекула перетворюється в електричний диполь, вісь якого спрямована вздовж зовнішнього поля. На поверхні діелектрика з'являються нескомпенсовані пов'язані заряди, що створюють своє поле, спрямоване назустріч зовнішньому полю. Так відбувається поляризація неполярного діелектрика.
Поляризація неполярного діелектрика.
Деформація неполярних молекул під дією зовнішнього електричного поля не залежить від їх теплового руху, тому поляризація неполярного діелектрика не залежить від температури.
3. У разі твердих кристалічних діелектриків спостерігається так звана іонна поляризація. при якій іони різних знаків, що становлять кристалічну решітку, при накладенні зовнішнього поля зміщуються в протилежних напрямках, внаслідок чого на гранях кристала з'являються пов'язані (нескомпенсовані) заряди. Прикладом такого механізму може служити поляризація кристала NaCl, в якому іони Na + і Cl - складають дві підґратки, вкладені одна в одну. Під час відсутності зовнішнього поля кожна елементарна комірка кристала NaCl електронейтральна і не володіє дипольним моментом. У зовнішньому електричному полі позитивні іони зміщуються вздовж напрямку поля, а негативні іони в протилежну сторону, тобто кристал поляризується.
П'єзоелектричний ефект. Деякі з діелектриків поляризуються не тільки при внесенні в електричне поле, а й в процесі деформації при механічних впливах на них.
Явище виникнення пов'язаних поверхневих електричних зарядів на кристалі кварцу при його деформації названопьезоелектріческім ефектом.
П'єзоефект спостерігається в кварці, турмалін, сегнетової солі і ін. (Їх називають п'єзоелектричними кристалами).