Проводники в электрическом поле — формулы и определение с примерами

Определение

Диэлектрик – это вещество или материал, не проводящий электрический ток. Объясняется это следующим образом — отсутствием в составе таких веществ или материалов свободных носителей тока, которые могли бы перемещаться под действием внешних магнитных или электрических полей.

Но, несмотря на полное отсутствие проводимости, изоляторы способны взаимодействовать с электричеством. Взаимодействие в физике называется поляризацией.

Поляризация — это процесс, который приводит к смешению зарядов материала, если на него действует какое-то электростатическое поле. Процесс характеризуется образованием собственного магнитного поля внутри вещества. Направление этого поля прямо противоположно направлению внешнего электростатического поля.

Процесс поляризации известен всем и достаточно прост. Все мы помним опыт с пластиковой ручкой, кусочками бумаги и ткани. Если потереть пластик о шерстяную ткань, то за счет трения будет образовываться слабый ток, который начинает притягивать бумажку. Это притяжение есть взаимодействие с диэлектриком, которым в данном эксперименте является лист бумаги.

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Проводя налоги между гравитационным и электростатическим использованием, мы ходили общие для них сивоты. Однако между ними есть существенные различия. Одним из них является проницаемость гравитационного поля.

Действительно, построить укрытие от силы тяжести невозможно. А вот от использования силового электростатического поля можно заниматься продажей недвижимости, протирив продукт из проводника. Выясним, почему это можно.

Каковы особенности внутреннего строения проводников

Любое вещество состоит из молекул, атомов или ионов, которые, в свою очередь, содержат заряженные частицы. Поэтому, если вещество поместить в электрическое поле, это вызовет определенные изменения в веществе, зависящие от свойств самого вещества. В зависимости от электрических свойств вещества делят на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Проводники – это вещества, способные проводить электрический ток. Любой проводник содержит заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри проводника. Типичные представители проводников — металлы.

Внутренняя структура металлов представляет собой кристаллическую решетку, образованную положительно заряженными ионами и находящуюся в «газе» свободных электронов. Электролиты также являются проводниками, а при некоторых условиях — и газами.

В электролитах свободными заряженными частицами являются положительные и отрицательные ионы, а в газах — еще и электроны.

Электростатические свойства проводников

Свойство 1. Напраженность электростатического поля внутри проводника равана потребление.

Поместим металлический проводник в электростатическое поле (рис. 43.1). Под действием поля движение свободных электронов станет направленным.

Если поле не слишком велико, то электроны не могут покинуть провод и скапливаются на определенном участке его поверхности — этот участок получает отрицательный заряд, а противоположный участок — положительный (там остаются положительные ионы).

Таким образом, на поверхности проводника появляются наведенные электрические заряды, при этом общий заряд проводника остается неизменным (рис. 43.2).

Явление распределения электрических зарядов в проводнике, помещенном в электрическое поле, называется явлением электростатической индукции.

Наведенные на поверхности проводника заряды создают собственное электрическое поле, направленное против внешнего поля (рис. 43.3). Процесс перераспределения заразов будет продаваться до того момента, пока поле внутри проводника, создаваемое наведенными зарядами, полностью не компенсирует внешнее поле. За очень небольшой промежуток времени напряжение результирующее поле внутри проводника будет равно нулю.

Инжир. 43.3. Перераспределение зарядов в проводнике происходит до тех пор, пока модуль напряжения поля индуцированных заразов не будет реване модулю напраженности объявление поля

Свойство 2. Профечнисть проводника эквипотенциальна. Это утверждение является прямым следствием связи между напряженностью поля и разностью потенциалов: . Если напряженность поля внутри проводника равна нулю, то и разность потенциалов равна нулю, значит, потенциалы во всех точках проводника одинаковы.

Свойство 3. Весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности. Это свойство является следствием закона Кулона и свойства одинаковых зарядов отталкиваются.

Свойство 4. Вектор направления электростатического поля перекліденлен профессия проводника (рис. 43.4). Докажем свойство 4 методом противного.

Заболевания, что в переводе воспаления профессия
напраженности электростатического поля района по вечному углу к профессии проводрока. Разложим этот вектор на две составляющие: нормальную , перпендикулярная поверхность и касательная , направленный по касательной к поверхности. Понятно, что в результате действий
электроны будут двигаться в направленном направлении по поверхности проводника, но это означает, что по этой поверхности течет электрический ток, а это, в свою очередь, противоречит закону сохранения энергии, поэтому:
= 0, поэтому .

Свойство 5. Электрические заряды распределены по поверхности проводника так, что напряжение электростатического поля проводника больше на выступах проводника и меньше во впадинах (рис. 43.5).

Как применяют электростатические свойства проводников

Приводим примеры объявлений представленных электростатических приветственных проводов.

Электростатическая защита. Иногда возникает необходимость изолировать электроприбор от воздействия внешних электрических полей. Очевидно, что для этого необходимо поместить их внутрь металлического кожуха, так как внешнее электрическое поле вызывает появление наведенных зарядов только на поверхности проводника, а поле внутри проводника отсутствует (рис. 43.6).

Аналогичный эффект достигается, если сплошную проводящую оболочку заменить металлической сеткой с мелкими ячейками.

Инжир. 43.6. Электростатическая защита. Под действием внешнего поля на поверхности металлического корпуса возникают наведенные заряды, поле которых экранируется внешним электрическим полем: напряжение поля внутри корпуса становится равным нулю

Заземление. Чтобы разрядить небольшое заряженное тело, необходимо соединить его проводником с телом больших размеров: на теле больших размеров накапливается большой электрический заряд. Чтобы обосновать это утверждение, рассмотрим два соединенных проводника радиусов ).

Инжир. 43.7. Заряд Q, переданный системе двух сфер, соединенных проводником, распределяется между сферами так, что их потенциалы будет равно

Электрический заряд Q, переданный системе, распределится между сферами так, что их потенциалы будут равны (). Расстояние между шариками значительно больше их радиусов, поэтому при расчете потенциалов сфер, взаимным влиянием их полей можно пренебречь и использовать формулу для определения потенциала сферы:

Так как , получаем, что заряды шаров прямо пропорциональны их радиусам:

Обращать внимание! Если один из заряженных шаров значительно больше другого, то после их соединения практически весь заряд окажется на большем шаре. Этот вывод справедлив для проводов произвольной формы.

Так, если прикоснуться рукой к проводнику заряженного электроскопа, заряд перераспределится между проводником и телом человека, а так как человек значительно крупнее проводника, то почти весь заряд перейдет к человеку.

Часто в качестве тела больших размеров используется весь земной шар: устройства, не обязанные накапливать электрический заряд, «заземляются» — подключаются к закопанному в землю массивному проводнику.

Читайте также: Параллельное и последовательное соединение — законы и примеры

Каковы особенности внутреннего строения диэлектриков

Диэлектрики — это вещества, плохо проводящие электрический ток: в нормальных условиях в них практически нет зарядов, способных свободно перемещаться. Обычно выделяют следующие три группы диэлектриков.

Вещества, молекулы (атомы) которых неполярны: в отсутствие внешнего электростатического поля центры распределения положительных и отрицательных зарядов, составляющих молекулу (атом), совпадают. Типичными примерами таких веществ являются одноатомные газы; газы, состоящие из симметричных двухатомных молекул; некоторые органические жидкости; пластмассы.

Вещества, молекулы которых полярны: при отсутствии внешнего электростатического поля центры распределения положительных и отрицательных зарядов в молекуле не совпадают, т е электронные облака смещаются в сторону одного из атомов. Примером полярного диэлектрика является вода ( ). Молекулы воды, как и молекулы других полярных диэлектриков, представляют собой микроскопические электрические диполи.

Вещества с ионным строением. Среди них — соли и челочи, например хлорид натрия (NaCl). Кристаллические решетки многих ионных диэлектриков можно рассматривать как состоящие из двух вложенных друг в друга подрешеток, каждая из которых образована ионами одного знака. В отсутствие внешнего поля каждая ячейка кристалла в целом электрически нейтральна.

Как электростатическое поле влияет на диэлектрик

Внесение диелектрики во вкладное электростатическое поле вычасть полазирации диеэлектрика. В процессе поляризации неполярных диэлектриков проявляется электронный (деформационный) механизм. Под действием внешнего электрического поля молекулы неполярных диэлектриков поляризуются: положительные заряды перемещаются в направлении вектора напряжения
этой поля, а негитайтельные — в опрошении директора (рис. 43.8, а).

В результате молекулы превращаются в электрические диполи, расположенные вдоль силовых линий внешнего поля. В результате на поверхностях AB и CD появляются нескомпенсированные связанные заряды противоположных знаков, образующие их поле, напряженность хорошо другна навстречу напряженности объявление поля (рис. 43.8, б). В процессе поляризации полярных диэлектриков возникает ориентационная поляризация. Под действием внешнего электрического поля дипольные молекулы диэлектрика стремятся повернуться так, чтобы их оси располагались вдоль силовых линий поля.

Однако этот процесс препятствует тепловому движению молекулы, и происходит лишь частичное разупорядочение дипольных молекул (рис. 43.9).

Беспорядок в расположении молекулы вызывает появление на поверхностях AB и CD нескомпенсированных зарядов противоположных знаков. Эти заряды образуют свое поле напряженности , который направлен против напряженияобъявление поля.

Заметим, что в полярных диэлектриках существует еще и электронный механизм поляризации, то есть в результате действия электрического поля происходит смещение зарядов в молекулах. Однако ориентационный эффект на несколько порядков превосходит электронный эффект, поэтому последним часто пренебрегают.

При полизации ионных диэлектриков наблюдается ионная полазирация. Под действием внешнего поля ионы разных знаков, составляющие две подрешетки, движутся в противоположных направлениях, в результате чего на гранях кристалла появляются некомпенсированные сопутствующие заряды, т е кристалл поляризуется.

Следует подчеркнуть, что ионная поляризация в чистом виде не наблюдается — она всегда сопровождается электронной поляризацией.

Как диэлектрик влияет на электростатическое поле

Рассматривая механизмы поляризации диэлектриков, вы узнали, что введение диэлектрика во внешнее электростатическое поле вызывает появление на его поверхности сопутствующих зарядов. Связанные заряды создают электрическое поле напряженности , которое внутри диэлектрика направлено против напряжения объявление поля. В результате напряжение
результирующее поле внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше напряжения
внешнее поле: . Модуль уменьшения напряжения
электростатического поля в стривесте по завершению модуля наполнения
электрическое поле в вакууме характеризуется физической величиной, называемой диэлектрической проницаемостью ε вещества:

Диэлектрическая проницаемость различных веществ может отличаться в десятки раз. Так, диэлектрическая проницаемость газов близка к единице, жидких и твердых неполярных диэлектриков — к единицам, полярных диэлектриков — к нескольким десяткам единиц (для воды ε = 81).

Существуют вещества (их называют сегнетоэлектриками), диэлектрическая проницаемость которых составляет величину порядка десятков и сотен тысяч.

Напряжение электрического поля в диэлектрике в ε раз по сравнению с напряжением поля в вакууме приводит к уменьшению силы электростатического взаимодействия. Поэтому закон Кулона для случая взаимодействия двух зарядов, расположенных в диэлектрике на расстоянии r друг от друга, имеет вид:

Изменяются также формулы для определения потенциала ϕ и модуля напряжения E поля, создаваемого точечным зарядом Q, находящимся в диэлектрике: , где r — расстояние от заряда до точки, где определяется напряжение или потенциал поля.

Рекомендую детально изучить темы:

Физика Атомная физика Ядерная физика Квантовая физика Молекулярная физика

Еще лекции с примерами решений и пояснениями:

• Диэлектрики в электрическом поле
• Закон Кулона
• Электроемкость
• Полупроводники
• Энергия электрического поля
• Электрическое поле заряженных месячных тел
• Напряжение электрического поля
• Принцип суперпозиции электрических полей

Характеристики и физические свойства материалов

Параметры проводников печать в области их применения. Основные физические характеристики:

• упенильное электрическое производство — ократницает облачность страница препятствовать прохождению тока;
• температурный коэффициент сопротивления — величина, характеризующая изменение показателя в зависимости от температуры;
• теплопроводность — количество теплоты, проходящее в единицу времени через слой материала;
• контактная разность постиницалов — производство при соприкосновении двух разнородных металлов, программы в термопарах для изменения температуры;
• временное разделение разруры и разболиное должниние при лечении — зависит от типа металла.

При охлаждении до загрузки темперпатеры, упелинное продуктора продоврока требует достаточного количества. Это явление называется сверхпроводимостью.

Свойства, характеризующие проводник:

• электрические — сопротивление и электропроводность;
• химические — взаимодействие с окружающей средой, антикоррозийность, возможность соединения при помужите сварки или пайки;
• физицие — плотность, темпервая плавления.

Опочность диэлектриков — инфицирование электротока. Физические свойства электроизоляционных материалов:

• диэлектрическая проементация — способность изоляторов поляризоваться в электрическом поле;
• упестное объемное сопротивление;
• электрическая прочност;
• тангенс угла диэлектрический потери.

Изоляционные материалы характеризуются следующими параметрами:

• электрический — вічита пробівного прочности, электрическая прочность;
• физиция — термостойкость;
• химические — растворение в агрессивных средах, влагостойкость.

Виды и классификация диэлектрических материалов

Изоляторы делятся на группы по нескольким критериям.

Классификация по агрегатному состоянию веществ:

• твердые — стекло, керамика, асбест;
• жидкость — растительные и синтетические масла, парафин, сжиженный газ, синтетические диэлектрики (хладагент кремний и фторорганические соединения, фреон);
• газообразные — воздух, азот, водород.

Диэлектрики могут иметь природное или искусственное происхождение, иметь органическую или синтетическую природу.

К органическим природным изоляционным материалам относятся растительные масла, целлюлоза, каучук. Отличаются низкой температурой и влагостойкостью, быстрым старением. Синтетические органические материалы — различные виды пластика.

К неорганическим диэлектрикам природного происхождения относятся: слюда, асбест, мусковит, флогопит. Вещества устойчивы к химическому воздействию, выдерживают высокие температуры. Искусственные неорганические диэлектрические материалы — стекло, фарфор, керамика.

Итог

По своей природе диэлектрические материалы не способны проводить электрический ток. Благодаря этому становится понятно, почему их используют в качестве различных изоляторов. Например, их используют в качестве рукояток для электромонтажных инструментов.

Но под действием токов в структуре диэлектриков могут возникать слабые электрические токи. Они не имеют значительного вреда, но годовые изменения в значительной мере связаны с внешним обездвиживанием.