Лекція. Речовина в електричному полі

лекція (до конспекту студентів)

Тема: «Речовина в електричному полі. Провідники і діелектрики в електричному полі»

Провідники та діелектрики в електростатичному полі -24 хв.

Електростатика. Речовина в електричному полі. Фізика 11 клас -9,15хв

Перелік питань:

1. Електростатичні властивості провідників (електростатична індукція).

2. Електростатичний захист. Заземлення.

3. Особливості внутрішньої будови діелектриків. Диполь.

4. Діелектрик в електричному полі. Поляризація діелектрика.

Теоретичні відомості

1. Електростатичні властивості провідників (електростатична індукція).

За електричними властивостями речовини розділяют на …

Провідники, діелектрики та напівпровідники.

2. Які речовини називають провідниками? Наведіть приклад типових представників провідників.

Провідниками називають речовини здатні проводити електричний струм. Приклад - метали (Fe, Cu, Al …); електроліти (водні розчини солей, кислот, лугів); за деяких умов - і гази.

3. У чому полягають особливості внутрішньої будови провідників - металів? Внутрішня структура металів являє собою утворену позитивно зарядженими іонами кристалічну решітку, яка перебуває в "газі" вільних електронів.

4. Що таке електростатична індукція?

Це явище перерозподілу електричних зарядів у провіднику, поміщеному в електростатичне поле, у результаті чого на поверхні провідника виникають електричні заряди. Розглянемо процеси, що відбуваються в провіднику і приводять до знищення електростатичного

Рис. 1

поля всередині нього. Для цього помістимо провідник в електростатичне поле (рис. 1). Під дією електричних сил рух вільних електронів стане напрямленим. Якщо електричне поле не надто велике, то електрони не можуть залишити провідник і накопичуються в певній області його поверхні,— ця область поверхні провідника набуває негативного заряду; протилежна — позитивного (його створюють позитивні йони, що там залишилися). Таким чином, на поверхні провідника з’являються наведені (індуковані) електричні заряди, при цьому сумарний заряд провідника, звичайно, залишається незмінним (рис. 2). Описане явище називають електростатичною індукцією.

Рис. 2

Дослід, що демонструє явище електростатичної індукції (рис. 2). Якщо два металеві циліндри, які перебувають у тісному контакті один з одним, роз'єднати за присутності поряд з ними зарядженої кулі, то кожен циліндр виявиться зарядженим

5. Якщо провідник поміщений в зовнішнє електростатичне поле, то воно індукує (наводить) на поверхні провідника заряди протилежних знаків. Як називаються електричні заряди які з'являються на поверхні провідника? Наведені (індуковані).

6. Чи змінюється сумарний заряд провідника внаслідок явища електростатичної індукції? Ні.

7. Індуковані (наведені) заряди створюють власне (внутрішнє) електричне поле напруженістю. Як вона напрямлена?

В бік, протилежний напруженості зовнішнього поля.

8. Чому дорівнює результуюча напруженість поля всередені провідника? Нулю. Процес перерозподілу зарядів у проіднику триватиме до того моменту, коли створюване індукованими зарядами поле всредені провідника повністю компенсує зовнішне поле.

Рис. 3

9*. Поверхня провідника є еквіпотенціальною. Поясніть.

Це твердження є прямим наслідком співвідношення, що існує між напруженістю поля та різницею потенціалів:

E=U/d, В/м

Якщо напруженість поля всередині провідника дорівнює нулю, то різниця потенціалів також дорівнює нулю, тому потенціали у всіх точках провідника однакові. Очевидно, що точки поверхні провідника також мають однакові потенціали, тобто поверхня провідника є еквіпотенціальною.

10*. Увесь статичний заряд провідника зосереджений на його поверхні. Поясніть.

Дана властивість є наслідком закону Кулона та властивості однойменних зарядів відштовхуватися. Цікаво, що першим, хто експериментально довів цю властивість, був не Шарль Кулон, а англієць Генрі Кавендіш (1731-1810), причому за 14 років до відкриття Кулона. Доведемо властивість 3 методом від протилежного. Припустимо, що в деякій частині провідника існує заряджена ділянка. Оточимо цю ділянку замкненою поверхнею S. Згідно з теоремою Остроградського - Ґаусса потік вектора напруженості електричного поля через цю поверхню відмінний від нуля і прямо пропорційний заряду, що міститься всередині поверхні. Отже, в точках цієї поверхні напруженість електростатичного поля теж має бути відмінною від нуля, але це суперечить властивості 1. Отже, всередині провідника електричний заряд дорівнює нулю.

11*. Вектор напруженості електростатичного поля провідника напрямлений перпендикулярно до його поверхні. Поясніть.

Доведемо властивість 4 методом від протилежного. Припустимо, що в певній точці поверхні провідника вектор напруженості електростатичного поля напрямлений під деяким кутом до поверхні провідника. Розкладемо цей вектор на два складники: нормальний , перпендикулярний до поверхні, і тангенціальний , напрямлений по дотичній до поверхні (рис. 4).

Рис. 4

Зрозуміло, що під дією електрони напрямлено рухатимуться по поверхні, але це означає, що по поверхні провідника тече електричний струм, а це, у свою чергу, суперечить електростатичності. Отже, у випадку рівноваги зарядів: = 0 , а .

12*. Електричні заряди розподіляються по поверхні провідника так, що напруженість електростатичного поля провідника виявляється більшою на виступах провідника і меншою на його западинах. Поясніть.

Якісно цю властивість можна пояснити так. Нехай існує заряджений провідник неправильної форми (рис. 5). Нагадаємо, що будь-яке заряджене тіло на дуже великих відстанях від нього можна вважати точковим зарядом, еквіпотенціальні поверхні поля якого мають вигляд концентричних сфер. Таким чином, у міру віддалення від провідника еквіпотенціальні поверхні, що поблизу провідника повторюють форму його поверхні, мають поступово й плавно набувати обрисів сфери. Але це можливе тільки в тому випадку, якщо еквіпотенціальні поверхні будуть згущені біля виступів провідника й розріджені біля западин (див. рис. 5). Там, де еквіпотенціальні поверхні розташовані густіше, напруженість електростатичного поля, яка перпендикулярна до поверхні провідника, більша, а де розташовані рідше, там напруженість поля менша.

Рис. 5

2) Електростатичний захист. Заземлення.

13. Як називають ізолювання приладів від впливу зовнішніх електричних полів? Електростатичний захист

14. У чому суть електростатичного захисту? Прилад необхідно помістити всередину металевого корпусу, оскільки зовнішнє електричне поле викликає появу індукованих зарядів тільки на поверхні провідника, а поле всередені провідника дорівнює нулю. Під дією зовнішнього поля на поверхні кулі виникають індуковані заряди, поле яких екранує зовнішнє електричне поле: напруженість поля всередині кулі стає рівною нулю (рис. 6, а). Картина силових ліній поля та розподіл індукованих зарядів не змінюються, якщо всередині кулі вирізати порожнину (рис. 6, б).

15. Як застосовують електростатичний захист?

Рис. 6

Іноді виникає необхідність ізолювати від впливу зовнішніх електричних полів деякі тіла, прилади. Очевидно, що для цього їх необхідно помістити всередину металевого корпуса, оскільки зовнішнє електричне поле викликає появу індукованих зарядів тільки на поверхні провідника, а поле всередині провідника дорівнює нулю (рис. 6). Кажуть, що провідна оболонка екранує зовнішнє електричне поле. Аналогічний ефект досягається навіть у тому випадку, якщо суцільну провідну оболонку замінити на металеву сітку з дрібними гніздами: електричне поле проникає за сітку на глибину порядку розмірів гнізда сітки.

16. Як можна розрядити невелике заряджене тіло? З'єднати провідником із тілом більших розмірів, адже на тілі більших розмірів накопичується більший заряд. Наприклад, якщо до зарядженого електроскопа торкнутися рукою, заряд перерозподілиться між електроскопом і тілом людини. Але оскільки людина значно більша за розмір пристрою, то можна вважати. що весь заряд перейде на людину

17. Що таке заземлення? Явище розрядження тіла. Часто як тіло великих розмірів використовують усю земну кулю: прилади, на яких не повинен збиратись електричний заряд. "заземлюють" - приєднують до масивного провідника, закопаного в землю.

18. Які речовини називають діелектриками? Наведіть приклад типових представників діелектриків. Діелектриками називають речовини, які погано проводять електричний струм. Приклад - одноатомні інертні гази (Ar, Xe, …); солі, луги; пластмаси

19. У чому полягають особливості внутрішньої будови діелектриків? За звичайних умов в ни практично відсутні заряди, що можуть вільно пересуватися.

20. Чим відрізняються полярні діелектрики від неполярних?

Рис. 7

Неполярні діелектрики - речовини, молекули (атоми) яких неполярні: у них за відсутності зовнішнього електростатичного поля центри мас позитивних і негативних зарядів, з яких складається молекула (атом), збігаються. Типові неполярні: одноатомні інертні гази (аргон, ксенон); гази, що складаються із симетричних двохатомних молекул (кисень, водень, азот); деякі органічні рідини (олії, бензини); з твердих тіл – пластмаси.

Полярні діелектрики - речовини, молекули яких полярні: у них за відсутності зовнішнього електростатичного поля центри мас позитивних і негативних зарядів не збігаються, тобто електронні хмари в молекулах зміщені до одного з атомів. Типові полярні: вода (Н₂0), у молекул якої електронні хмари зсунуті до атома Окситену. Молекули води (рис. 8), як і молекули інших полярних діелектриків, являють собою мікроскопічні електричні диполі.

Електричний диполь - електронейтральна сукупність двох зарядів, рівних за модулем і протилежних за знаком, розташованих на деякій відстані один від одного (рис. 9).

Рис. 8

За відсутності зовнішнього електростатичного поля дипольні молекули завдяки тепловому руху розташовуються безладно. Тому геометрична сума напруженостей полів, які створені дипольними молекулами діелектрика, дорівнює нулю.

Рис. 9

Йоні діелектрики - речовини, які мають йонну структуру: кристалічні гратки багатьох йонних діелектриків можна розглядати як такі, щ складаються з двох вставлених одна в одну підграток, кожна з яких утворена іонами одного знака. Типові йонні: солі та луги: натрій хлорид (NaCl), калій хлорид (КС1) тощо. За відсутності зовнішнього поля кожна комірка кристала і кристал у цілому є електронейтральними.

21*. Як електростатичне поле впливає на діелектрик?

Внесення діелектрика в зовнішнє електростатичне поле спричиняє поляризацію діелектрика. Поляризація діелектрика — виникнення дипольного електричного моменту в діелектрика, який поміщений в зовнішнє електричне поле; явище зміщення електричних зарядів діелектрика під впливом зовнішнього електричного поля. Зміщення зумовлює виникнення внутрішнього електричного поля з протилежним напрямком, наслідком чого є зменшення прикладеного поля.

Рис. 10

На відміну від провідника електричне поле проникає в діелектрик. Ця відмінність зумовлена тим, що в діелектрику нема вільних електричних зарядів, всі внутрішні заряди зв'язані, а тому під впливом поля можуть зміщуватися тільки на невелику віддаль. У результаті цих зміщень виникає електричне поле, що протидіє зовнішньому електричному полю. Відповідно на границях діелекрика виникають поверхневі заряди. При знятті зовнішнього електричного поля діелектрична поляризація зникає, однак існують деякі речовини, що можуть зберігати наведену поляризацію. Їх називають електретами.

Механізми поляризації різних типів діелектриків різні, оскільки визначаються характером хімічного зв’язку в діелектриках. Розглянемо випадки поляризації однорідного діелектрика в однорідному електростатичному полі. Якщо йдеться про поляризацію неоднорідного діелектрика або про неоднорідне поле, задача ускладнюється і її розгляд виходить за рамки курсу фізики у коледжі.

Неполярний діелектрик в електростатичному полі напруженістю показаний на рисунку 10. Унаслідок поляризації молекули неполярного діелектрика перетворюються на диполі, осі яких розташовані вздовж ліній напруженості цього поля: позитивні заряди зміщуються в напрямку вектора напруженості , а негативні – у протилежному напрямку (рис. 10, а). У результаті на поверхнях АВ і CD з'являються нескомпенсовані зв'язані заряди протилежних знаків, що утворюють своє поле, напруженість якого напрямлена назустріч напруженості зовнішнього поля (рис. 10, б).

У процесі поляризації полярних діелектриків виникає орієнтаційна поляризація. Під дією зовнішнього електричного поля дипольні молекули діелектрика намагаються повернутися так, щоб їхні осі були розташовані вздовж силових ліній поля. Проте тепловий рух молекул, який відіграє роль дезорієнтаційного чинника, перешкоджає цьому процесу. Тому виникає лише часткове впорядкування дипольних молекул (рис. 11), ступінь якого зростає зі збільшенням напруженості зовнішнього поля та зі зменшенням температури діелектрика. Наявність упорядкування в розташуванні молекул приводить до того, що на поверхнях АВ і CD з’являються нескомпенсовані зв’язані заряди протилежних знаків. Ці заряди утворюють своє поле напруженістю , напрямок якої протилежний напрямку напруженості зовнішнього поля. Рис. 11

Зауважимо, що в полярних діелектриках наявний і електронний механізм поляризації, тобто під дією електричного поля відбувається зсув зарядів у молекулах. Однак ефект орієнтації на кілька порядків перевершує електронний ефект, тому останнім часто нехтують.

У процесі поляризації йонних діелектриків спостерігається йонна поляризація. Унаслідок дії зовнішнього поля йони різних знаків, що складають дві підґратки, зміщуються в протилежних напрямках, від чого на гранях кристала з’являються нескомпенсовані зв’язані заряди, тобто кристал поляризується. Слід підкреслити, що йонна поляризація в чистому вигляді не спостерігається, її завжди супроводжує електронна поляризація.

Зв’язані заряди отримали таку назву тому, що вони являють собою різнойменні заряди, які входять до складу атома (або молекули) і які за звичайних умов під дією електричного поля не можуть переміщатися незалежно один від одного.

Підсумовуючи, поляризацію діелектрика можна визначити як процес появи орієнтованих диполів або орієнтації диполів, які вже існують у діелектрику, під дією зовнішнього електростатичного поля. Зараз є зрозумілим, що прогрес і розвиток низки галузей науки та техніки неможливо уявити без розвитку досліджень у галузі рідких кристалів. Найхарактерніша властивість цих речовин — здатність змінювати орієнтацію молекул, тобто оптичної осі, під впливом електричного поля, і це відкриває широкі можливості застосування рідких кристалів для створення дисплеїв, індикаторів тощо.

22*. Як діелектрик впливає на електростатичне поле?

Розглядаючи різні механізми поляризації діелектриків, ви переконалися, що внесення діелектричного зразка в зовнішнє електростатичне поле спричиняє появу зв’язаних зарядів на поверхні зразка. Зв’язані заряди створюють електричне поле напруженістю , яка всередині діелектрика напрямлена протилежно вектору напруженості зовнішнього поля. Через це поле всередині діелектрика слабшає. У результаті напруженість результуючого поля всередині діелектрика виявляється за модулем меншою, ніж напруженість зовнішнього поля: . Зменшення модуля напруженості Е електростатичного поля в речовині порівняно з модулем напруженості Е_о електростатичного поля у вакуумі характеризується фізичною величиною, яку називають діелектрична проникність ɛ речовини: .

Значення діелектричної проникності різних речовин можуть відрізнятися одне від одного в десятки разів. Так, значення діелектричної проникності газів близьке до одиниці, рідких і твердих неполярних діелектриків — до кількох одиниць (для гасу ε = 2), полярних діелектриків — до кількох десятків одиниць (для води ε = 81). Є речовини, діелектрична проникність яких становить значення порядку десятків і сотень тисяч (ці речовини називаються сегнетоелектриками).

* Якщо бути точними, твердження про те, що діелектрик завжди зменшує напруженість електростатичного поля, в якому він розташований, в ε разів, є не завжди правильним,— воно справджується тільки для випадків, коли силові лінії зовнішнього поля перпендикулярні до меж тіла або ці межі так далеко, що полем поляризаційних зарядів можна знехтувати.

Зменшення напруженості електричного поля в діелектрику в ε разів порівняно з напруженістю поля у вакуумі веде до такого самого зменшення сили електростатичної взаємодії точкових зарядів у цьому діелектрику. Тому закон Кулона для випадку взаємодії двох електричних зарядів, які мають значення q₁ і q₂ і розташовані в діелектрику на відстані r один від одного, має вигляд:

F= kq_{1 *}q₂ / εr² .

Так само змінюється формула для розрахунку модуля напруженості електричного поля, створеного точковим зарядом q на відстані r від цього заряду в діелектрику: .

Список літератури.

1. Бар’яхтар В.Г., Довгий С.О. , Божинова Ф.Я., Кірюхіна О.О., Фізика (рівень стандарту, за навч. прогр. авт. кол-у під кер. Локтєва В.М.): підруч. для 10 кл. закл. заг. сер. освіти - Х.: Вид-во «Ранок», 2018.- 272 с.: іл. Параграф 43, вправа 43.

2. Генденштейн Л.Е., Ненашев І.Ю. Фізика. 10 кл. : підруч. для загальноосвіт. навч. закладів : рівень стандарту – Харків.: Гімназія, 2010. – 272 с.: іл.

3. Сиротюк В.Д., Баштовий В.І. Фізика: підруч. для 10 кл. загальноосвіт. навч. закл.: (рівень стандарту) – К.: Освіта, 2010. – 303 с.: іл.

Контрольні питання:

1. Які речовини називають провідниками?

2. Що таке електростатична індукція?

3. Назвіть основні електростатичні властивості провідників.

4. Як захищають обладнання і прилади від впливу електричного поля?

5. Навіщо застосовують заземлення?

6. Які речовини називають діелектриками? Наведіть приклади.

7. Чим відрізняються полярн6і дієлектрики від не6полярних?

8. Що називають поляризацією дієлектрика? Якими є хх механізми?

9. Що характеризує діелектрична проникність речоаини?

Вправа № 43

1. Чому заряджені тіла притягуються до незаряджених?

2. Дві маленькі кульки, заряди яких одинакові за модулем, перебуваючи в трансформаторному мастилі на відстані 50 см одна від одної, взаємодіють з силою 2,2 мН. Визначити модуль заряду кожної кульки. Дієлектрична проникність трансформаторного мастила 2,2.

3. Заряджена металева кулька масою 40 г і обємом 4,2 см² лежить на дні пеосудини з мастилом.. Після того як вистему помістили в однорідне електростатичне поле напруженістю 4,0 МВ/м, кулька спливла. Знайдіть мінімальний заряд кульки. густина мастила 800 кг/м³, діелектрична проникність - 5.

ТЕСТ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ

1. Дві однакові маленькі мідні кульки із зарядами 6 і –2 нКл

привели в дотик і розмістили на відстані 10 см одну від одної.

Сила кулонівської взаємодії між кульками дорівнює:

А 1,08 мкН Б 1,8 мкН В 3,6 мкН Г 18 мкН

2. Електричне поле з напруженістю 5 кН/Кл діє на заряд 2 нКл

із силою:

А 0,4 мкН Б 1 мкН В 2,5 мкН Г 10 мкН

3. Виберіть рисунок, на якому правильно зображені силові

лінії електричного поля точкових зарядів +q і −q .

4. В однорідне вертикальне електричне поле внесли три горизонтальні

пластинки: 1 — парафінову, 2 — мідну, 3 — слюдяну.

Порівняйте напруженості E1, E2, E3 електричного

поля всередині пластинок.

• А Е1 < Е2 <Е3 В E1 <E3 < E2 Б Е2< Е3< E1 Г E3 < Е2 < E1

5. Показані на рисунку заряди q1 = 60 нКл і q2 = 90 нКл, а довжина

бічної сторони кожного квадратика дорівнює 5 см.

Напруженість електричного поля двох зарядів у точці A дорівнює:

А 45 кН/Кл Б 60 кН/Кл В 75 кН/Кл Г 90 кН/Кл

6. Точкові заряди 36 і –36 нКл розташовані у вакуумі на відстані

21 см один від одного. Точка A міститься на відстані

18 см від кожного з них. Напруженість електричного поля

зарядів у точці A дорівнює:

А 7,3 кН/Кл Б 10 кН/Кл В 12 кН/Кл Г 20 кН/Кл