Вещество в котором имеются свободные заряженные частицы

Вещество в котором имеются свободные заряженные частицы

§ 36. ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ.

Взаимодействие тел с электрическим полем зависит от того, из каких веществ они состоят, а именно, содержат, или нет, эти вещества заряженные частицы (электроны или ионы), способные свободно перемещаться под действием электрических сил.

Заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться в электрическом поле, называют свободными зарядами, а вещества, содержащие их, — проводниками. Проводниками являются металлы, жидкие растворы и расплавы электролитов. Свободными зарядами в металле являются электроны внешних оболочек атомов, потерявшие с ними связь. Эти электроны, называемые свободными электронами, могут свободно двигаться по металлическому телу в любом направлении. В растворах солей свободными зарядами служат положительно и отрицательно заряженн ые ио ны.

В условиях электростатики, т.е., когда электрические заряды неподвижны, напряжённость электрического поля внутри проводника всегда равна нулю. Действительно, если предположить, что поле внутри проводника всё-таки есть, то тогда на находящиеся в нём свободные заряды будет действовать электрические силы, пропорциональные напряжённости поля, и эти заряды начнут двигаться, а значит, поле перестанет быть электростатическим. Таким образом, электростатическое поле внутри проводника отсутствует.

Исчезновение внутри проводника электростатического поля происходит следующим образом. Пусть металлический проводник в форме шара вносят в электрическое поле, напряжённость которого в данной области постоянна, т.н. однородное поле. Как только это произойдёт, свободные электроны проводника под действием электрических сил начнут перемещаться (см. стрелки на рис. 36а), в результате чего одна часть проводника зарядится положительно, а другая – отрицательно. Этот процесс перемещения закончится тогда, когда образовавшиеся заряды на противоположных частях шара создадут внутри проводника такое поле, которое полностью компенсирует внешнее электрическое поле. После этого напряжённость электрического поля внутри шара станет равной нулю, и свободные заряды опять станут неподвижными. При этом переместившиеся заряды изменят поле снаружи проводника (рис. 36б), а его с иловые линии станут перпендикулярны ми поверхности шара, т.к. составляющая вектора напряжённости , параллельная поверхности проводника , выз вала бы движение его свободных зарядов . Явление, приводящее к исчезновению электростатического поля внутри проводника, называют электростатической индукцией.

Вещества, в которых нет свободных зарядов, называют диэлектриками или изоляторами. Примерами диэлектриков могут служить различные газы, некоторые жидкости (вода, бензин, спирт и др.), а также многие твёрдые вещества (стекло, фарфор, плексиглас, резина и др.).

Существуют два вида диэлектриков – полярные и неполярные. В молекуле полярного диэлектрика положительные заряды находятся преимущественно в одной её части («+» полюс), а отрицательные – в другой («-» полюс). У неполярного диэлектрика положительные и отрицательные заряды одинаково распределены по молекуле.

Во внешнем поле на разноимённые полюса молекулы полярного диэлектрика действуют противоположно направленные силы ( F и – F на рис. 36в), которые стараются повернуть молекулу вдоль вектора напряжённости поля. Внешнее поле действует также и на молекулу неполярного диэлектрика, перемещая внутри неё разноимённые заряды в разные стороны, в результате чего эта молекула становится похожей на молекулу полярного диэлектрика, ориентируясь тоже вдоль линий поля. Таким образом, во внешнем поле заряды в молекулах диэлектрика смещаются в направлении действия электрических сил (рис. 36г). Это явление называют поляризацией диэлектрика.

При поляризации диэлектрика на его противоположных по отношению к внешнему полю поверхностях появляются разноимённые электрические заряды, называемые связанными. Связанные заряды создают в диэлектрике электрическое поле, вектор напряжённости которого направлен противоположно вектору внешнего поля, в результате чего электрическое поле внутри диэлектрика уменьшается в e раз. Величину e называют диэлектрической проницаемостью диэлектрика, которая равна для воздуха — 1,0006, бензина – 2,3, плексигласа – 3,4, стекла — от 5 до 10, а для воды – 81.

Вопросы для повторения:

· Что такое свободные заряды, проводники и диэлектрики?

· Опишите явление электростатической индукции.

· Что такое поляризация диэлектрика?

Рис. 36. Металлический шар в поле до (а) и после (б) электростатической индукции; (в) – силы, действующие на молекулу полярного диэлектрика во внешнем поле; (г) – хаотичная ориентация молекул полярного диэлектрика в отсутствии (верх) и присутствии (низ) внешнего электрического поля, E .

Что такое проводник и диэлектрик?

Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, из всего многообразия физических веществ в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока. Что представляют собой проводники? Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу. Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело. Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод. Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:

• показатель сопротивления;
• показатель электропроводности.

Сопротивление возникает из-за того, что электроны при движении испытывают столкновение с атомами и ионами, которые являются своеобразным препятствием. Именно поэтому проводникам присвоена характеристика электрического сопротивления. Обратной сопротивлению величиной является электропроводность.

Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.

Например кабельная продукция: медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминиевым.

Что представляют собой диэлектрики?

Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу.

Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы.

Диэлектрические предметы – это изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические материалы частично лишаются своих свойств.

Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач.

Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц.

Серебряные, золотые и платиновые изделия – очень хорошие проводники. Но их отрицательная характеристика, которая ограничивает использование, состоит в очень высокой стоимости.

Поэтому применяются такие вещества в сферах, где качество гораздо важнее цены, которая за него уплачивается (оборонная промышленность и космос).

Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками, при этом имеют не столь высокую стоимость. Следовательно, использование медных и алюминиевых проводов распространено повсеместно.

Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют менее хорошие свойства, поэтому используются в основном в лампочках накаливания и нагревательных элементах высокой температуры. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электросхемы.

Диэлектрики также различаются между собой своими характеристиками и свойствами. Например, в некоторых диэлектрических материалах также присутствуют свободные электрически заряды, пусть и в небольшом количестве. Свободные заряды возникают из-за тепловых колебаний электронов, т.е. повышение температуры все-таки в некоторых случаях провоцирует отрыв электронов от ядра, что понижает изоляционные свойства материала. Некоторые изоляторы отличаются большим числом «оторванных» электронов, что говорит о плохих изоляционных свойствах.

Самый лучший диэлектрик – полный вакуум, которого очень трудно добиться на планете Земля.

Полностью очищенная вода также имеет высокие диэлектрические свойства, но таковой даже не существует в реальности. При этом стоит помнить, что присутствие каких-либо примесей в жидкости наделяет ее свойствами проводника.

Главный критерий качества любого диэлектрического материала – это степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической схеме. Например, если свойства диэлектрика таковы, что утечка тока совсем незначительная и не приносит никакого ущерба работе схемы, то диэлектрик является надежным.

Что такое полупроводник?

Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники. Главное отличие проводников заключается в зависимости степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника.

С ростом температуры электропроводность полупроводников растет, а степень сопротивления при этом падает. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. То есть, при достижении нулевой температуры полупроводники начинают вести себя как изоляторы.

Полупроводниками являются кремний и германий.

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Внесение некоторого вещества в электрическое поле может привести к существенному его изменению; это обусловлено тем, что вещество составляют заряженные частицы. Если внешнее поле отсутствует, распределение частиц вещества происходит таким образом, что электрическое поле, которое они создают, в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. Если внешнее поле присутствует, заряженные частицы перераспределяются, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле E → включает в себя (согласно принципу суперпозиции) внешнее поле E 0 → и внутреннее поле E ‘ → которое создается заряженными частицами вещества.

Электрические свойства веществ обуславливают их многообразие. Самые широкие классы веществ – это проводники и диэлектрики.

Проводники

Отличительная черта проводников заключается в наличии свободных зарядов (электронов), принимающих участие в тепловом движении и способных осуществлять перемещение по всему объему проводника. Типичным примером проводников служат металлы.

Вследствие поляризации полное электрическое поле E → = E 0 → + E ‘ → = 0 внутри диэлектрика становится по модулю меньше внешнего поля E 0 → .

Рисунок 1 . 5 . 4 . Поляризация неполярного диэлектрика.

В электрическом поле E ‘ → связанных зарядов, которое возникает при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, происходит его изменение по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля E 0 → . В электрических полях значительной силы указанная закономерность может нарушаться: в таком случае получают проявление различные нелинейные эффекты. Для полярных диэлектриков в сильных полях возможно наблюдать эффект насыщения.

Эффект насыщения – это выстраивание всех молекулярных диполей вдоль силовых линий.

Когда диэлектрики неполярны, сильное внешнее поле, которое можно сравнить по модулю с внутриатомным полем, имеет возможность значимо деформировать атомы или молекулы вещества с изменением их электрических свойств. Но подобные явления почти никогда не наблюдаются, поскольку для этого необходимы поля, имеющие напряженность порядка 10 10 – 10 12 В / м . При этом гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.

Электронная поляризация – это процесс поляризации, при котором непарные молекулы получают деформацию электронных оболочек.

Этот механизм универсален, так как деформация электронных оболочек под влиянием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика.

Ионная поляризация – это поляризация твердых кристаллических диэлектриков, следствием которой является смещение ионов различных знаков, составляющих кристаллическую решетку, в противоположных направлениях при воздействии внешнего поля. В результате смещения на гранях кристалла образуются связанные (нескомпенсированные) заряды.

В качестве примера описанного механизма, можно рассмотреть поляризацию кристалла N a C l , в котором ионы N a + и C l – составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. При отсутствии внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла N a C l является электронейтральной и не обладающей дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки сместятся в противоположных направлениях, т. е. кристалл подвергнется процессу поляризации.

Когда происходит процесс поляризации неоднородного диэлектрика, связанные заряды могут появиться не только на поверхности, но и в объеме диэлектрика. В таком случае электрическое поле E ‘ → связанных зарядов и полное поле E → будут обладать сложной структурой, зависящей от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле _formula_ в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем E → точно верно лишь, когда речь идет об однородном диэлектрике, который заполняет все пространство, где создано внешнее поле. В частности:

В случае, когда в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд Q , напряженность электрического поля E → этого точечного заряда и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме. Запишем данное утверждение в виде формул:

E → = 1 4 π ε 0 · Q ε r 3 r → , φ = 1 4 π ε 0 Q ε r .

Проводники в электростатическом поле

К проводникам относят вещества, в которых имеются заряженные частицы, способные двигаться упорядочений по всему объему тела под действием электрического поля. Заряды таких частиц называются свободными.

Проводниками являются все металлы, некоторые химические соединения, водные растворы солей, кислот, щелочей, расплавы солей, ионизированные газы. В металлах носителями свободных зарядов являются свободные электроны, называемые электронами проводимости.

Если внести незаряженный металлический проводник в однородное электростатическое поле (рис.), то под действием поля в нем возникнет упорядоченное движение свободных электронов металла в направлении, противоположном направлению напряженности Е_о этого поля. Электроны будут скапливаться на одной стороне проводника, образуя там избыточный отрицательный заряд, а их недостача на другой стороне проводника приведет к образованию там избыточного положительного заряда, т.е. в проводнике произойдет пространственное разделение зарядов. Эти некомпенсированные разноименные заряды появляются на проводнике только под действием внешнего электрического поля, т. е. такие заряды являются индуцированными (наведенными), а в целом проводник по-прежнему остается незаряженным. Такой вид электризации, при котором под действием внешнего электрического поля происходит перераспределение зарядов между частями данного тела, называют электростатической индукцией. Появившиеся вследствие электростатической индукции на противоположных частях проводника нескомпенсированные электрические заряды создают свое собственное электрическое поле, его напряженность Е_с внутри проводника направлена против напряженности Е_о внешнего поля, в которое помещен проводник. По мере разделения зарядов в проводнике и накопления их на противоположных частях проводника напряженность Ее внутреннего поля увеличивается и, наконец, становится равной (по модулю) напряженности Е_о внешнего поля. Это приводит к тому, что напряженность Е результирующего поля внутри проводника становится равной нулю. При этом наступает равновесие зарядов на проводнике. Таким образом, при равновесии зарядов на проводнике весь некомпенсированный заряд находится только на наружной поверхности проводника, а внутри проводника электрическое поле отсутствует. Это явление используют при создании электростатической защиты, сущность которой состоит в том, что для предохранения чувствительных приборов от влияния электрических полей их помещают в металлические заземленные корпуса или сетки.

Таким образом, 1) весь избыточный заряд проводника оказывается на его поверхности, внутри проводника зарядов нет; 2) внутри проводника напряженность электростатического поля равна нулю; 3) поверхность проводника является эквипотенциальной; потенциал всех точек внутри проводника равен потенциалу на его поверхности.

Диэлектрики в электростатическом поле.

Полупроводник — вещество, в котором количество свободных зарядов зависит от внешних условий (температура, напряженность электрического поля). К полупроводникам относят: минералы, оксиды, сульфиды, теллуриды, германий, кремний, селен и др.

Молекулы по структуре распределения в них электрического заряда делят на два вида: полярные и неполярные. В полярных молекулах (таких, как Н₂0, NH₃, S0₂, СО) центры связанных зарядов (ядер, электронных оболочек) находятся на некотором расстоянии друг от друга. Моделью такой электронейтральной молекулы может служить электрический диполь. В неполярных молекулах (таких, как Н₂, N₂, 0₂), имеющих симметричное строение, центры положительных и отрицательных связанных зарядов совпадают.

Диэлектрики, в соответствии со структурой их молекул, делят на два вида: полярные и неполярные. Полярный диэлектрик состоит из полярных молекул, а неполярный — из неполярных. Внутри диэлектрика, помещенного во внешнее электростатическое поле, происходит пространственное перераспределение зарядов.

В полярных диэлектриках электростатическое поле ориентирует хаотически расположенные молекулы, поворачивая их вдоль напряженности внешнего поля (рис.).

Поляризация и ориен-

тация неполярных молекул

в электрическом поле

неполярных диэлектриках электростатическое поле сначала поляризует молекулы, растягивая в разные стороны положительные и отрицательные заряды (рис.), а затем поворачивает их оси вдоль напряженности поля.