Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Билет №21. Проводники и диэлектрики в электрическом поле: электростатическая индукция, проводящий шар в
электрическом поле, электрическое поле внутри шара, измерение разности потенциалов с помощью
электрометра, поляризация диэлектриков, электронная поляризация, ориентационная поляризация.
1. Проводники в электрическом поле.
Если металлический проводник поместить в электрическое поле, то под влиянием сил поля свободные
электроны проводника придут в движение в сторону, противоположную направлению напряженности поля. В
результате этого на одной стороне проводника возникает избыточный
отрицательный заряд, а на другой стороне проводника — избыточный
положительный заряд.
Разделение зарядов в проводнике под влиянием внешнего
электрического поля называется электризацией через влияние, или
электростатической индукцией, а заряды на проводнике — индуцированными
зарядами.
Индуцированные заряды создают своё поле Eп , направление которого
внутри тела оказывается противоположным внешнему полю Перестроение
свободных зарядов шара продолжается до тех пор, пока поле E п не компенсирует полностью внешнее поле E во
всей области внутри тела. При наступлении этого момента (а наступает он почти мгновенно) результирующее поле
внутри тела станет равным нулю, дальнейшее движение зарядов прекратится, и они окончательно займут свои
фиксированные статические положения на поверхности тела.
Внутри шара Е=0, следовательно, потенциалы во всех точках
внутри заряженного металлического тела одинаковы и равны
потенциалу на поверхности шара.
А что будет в области снаружи тела? Поле Eп наложится на
внешнее поле E так, что линии напряженности внешнего поля
будут перпендикулярны поверхности проводника. Поверхность
проводника будет являться эквипотенциальной поверхностью.
Потенциал и на поверхности тела и внутри будет одинаковым.
2. Диэлектрики в электрическом поле
Механизм поляризации диэлектриков определяется строением их молекул. Известно, что атом или молекула
любого вещества являются электрически нейтральными. Однако центры распределения положительных и
отрицательных зарядов в них могут совпадать, или не совпадать. В первом случае молекулы называются
неполярными, а во втором – полярными . К полярным молекулам относятся несимметричные двухатомные
молекулы (
), молекулы воды
симметричные двухатомные молекулы
углеводородов.
, некоторые многоатомные молекулы
, некоторые трехатомные молекулы
У неполярных диэлектриков в электрическом поле электрические силы
растягивают орбиты электронов, и центры распределения зарядов перестают
совпадать. Молекула становится диполем. При внесении такого диэлектрика во
внешнее поле все его молекулы становятся диполями и на противоположных
поверхностях диэлектрика появляются нескомпенсированные заряды: слева –
отрицательный, справа – положительный. Такой вид поляризации называется
поляризацией смещения или электронной поляризацией. Степень поляризации
смещения зависит от вида диэлектрика, напряженности внешнего поля и
практически не зависит от температуры.
. Неполярными являются
, а также большинство
У полярных
диэлектриков центры распределения
положительных и отрицательных зарядов в молекулах не
совпадают. К таким веществам относятся вода, спирт, ацетон,
эфир, соляная кислота и т. д. В электрическом поле на каждую
молекулу, как и на любой диполь, будет действовать
вращательный момент. В результате каждый диполь будет
стремиться разместиться параллельно полю (рис. 7.3).
Межмолекулярные связи и тепловое движение молекул будут
препятствовать этому. В результате их переориентация будет
неполной, однако, в среднем число диполей, ориентированных вдоль поля позволят возникнуть на
противоположных гранях диэлектрика поляризационным зарядам. Такой вид поляризации называется
ориентационным или дипольным. Степень ориентационной поляризации зависит от температуры, рода
диэлектрика и напряженности внешнего электрического поля. Все полярные диэлектрики в той или иной степени
подвержены и электронной поляризации.
При удалении диэлектриков из электрического поля их поляризация исчезает, так как тепловое движение
молекул разрушает ориентацию диполей у полярных диэлектриков, а у неполярных – молекулы приобретают свою
обычную форму.
Под действием постоянного электрического поля
все диэлектрики поляризуются, создается собственное
поле, направленное против внешнего. В диэлектриках в отличие от металлов электрическое поле не равно нулю.
Возникающие в процессе поляризации связанные заряды лишь ослабляют внешнее поле.
Диэлектрическая проницаемость – физическая величина, которая показывает, во сколько раз поле в среде
становится слабее по сравнению с вакуумом.
Измерить напряженность - весьма непростая задача. Гораздо проще измерить разность потенциалов с
помощью электрометров. Электрометр принципиально отличается от электроскопа наличием металлического
корпуса. Для того чтобы при помощи электрометра измерить разность потенциалов между какими-либо двумя
проводниками, например проводником и Землей, нужно стержень (листки) электрометра соединить с этим
проводником, а его корпус – с Землей. Через очень короткое время стержень электрометра окажется при том же
потенциале, что и соединенный с ним проводник, а потенциал корпуса электрометра сравняется с потенциалом
Земли. Таким образом, показания электрометра дадут разность потенциалов между проводником и Землей.