2. Диэлектрики в электростатическом поле. Поляризация диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость.
Если к диску электрометра поднести незаряженный диэлектрик, то стрелка электрометра слегка приблизится к стрежню. Это может произойти только в том случае, если диэлектрик, помещенный в электрическое поле заряженного диска, сам создает электрическое поле. Это поле уменьшает заряд диска стрелки и увеличивает заряд диска. Следовательно, диэлектрик, оставаясь нейтральным, создает электрическое поле, напряженность которого направлена противоположно напряженности поля, созданного заряженным телом (согласно принципу суперпозиции полей напряженность поля в данной точке рана алгебраической сумме напряженностей полей).
В отсутствие поля центры положительных и отрицательных зарядов в атомах или молекулах неполярных диэлектриков совпадают. При внесении диэлектрика в поле на отрицательно и положительно заряженные частицы начинает действовать силы, направленные в противоположные стороны. В результате молекула растягивается и происходит смещение центров положительных и отрицательных зарядов. Молекула становится диполем, ось которого направлена вдоль поля. Вследствие этого процесса на поверхностях диэлектрика, примыкающих к заряженным пластинам, также возникают связанные заряды.
Связанный поверхностный заряд создает электрическое поле напряженностью E', направленной в диэлектрике против напряженности внешнего поля E0 зарядов на пластинах. Если напряженность электрического поля обозначить через E, то
E = E0 - E'
Напряженность E' определяется поверхностной плотностью заряда σ'. Каждая поверхность создает электрическое поле напряженностью E'1 = 2π| σ'|. Напряженности полей отрицательно и положительно заряженных поверхностей внутри диэлектрика совпадают по направлению. Поэтому
E' = 4π| σ'|
Опыт показывает, что для многих диэлектриков плотность поверхностного заряда прямо пропорциональна напряженности поля:
| σ'| = αE
Коэффициент пропорциональности α называется поляризуемостью диэлектрика или его диэлектрической восприимчивостью. Он характеризует электрические свойства диэлектрика и простым образом связан с диэлектрической проницаемостью ℰ.
E' = 4παE
E
=
Стоящая в знаменателе величина характеризует степень ослабления поля; она показывает, во сколько раз уменьшается напряженность электрического поля в однородном диэлектрике. Это и есть диэлектрическая проницаемость среды:
ℰ = 1 + 4πα
______________________________________________________________________________________________________
Билет №5.
1. Испарение и конденсация. Насыщенный и ненасыщенный пар. Свойства насыщенного пара. Влажность воздуха. Измерение влажности воздуха. Точка росы.
2. Электрическая емкость. Конденсатор. Параллельное и последовательное соединение конденсаторов. Емкость плоского конденсатора. Энергия заряженного конденсатора.
3. Задача на явление электромагнитной индукции.
4. Задача на механику жидкости и газа.
___________________________________________________________________________________________
1. Испарение и конденсация. Насыщенный и ненасыщенный пар. Свойства насыщенного пара. Влажность воздуха. Измерение влажности воздуха. Точка росы.
Хорошо закупоренный пузырек с чернилами может стоять в шкафу сколь угодно долго, и количество чернил в нем не меняется. То если же пузырек оставить открытым, то , заглянув в него через достаточно продолжительное время, мы увидим, что жидкости в нем нет. В действительность жидкости не исчезают бесследно - они испаряются, превращаются в водяной пар. Те же наблюдения позволяют установить, что испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре. Скорость испарения тем больше, чем больше площадь свободной поверхности жидкости, выше ее температура и чем быстрее удаляют образовавшиеся над жидкостью пары. Испарение так же ускоряется при уменьшении давления водяных паров , содержащиеся в окружающей среде. Скорость испарения различных жидкостей различна.
Насыщенный пар. В первый момент, после того как мы нальем жидкость в сосуд и закроем его, жидкость будет испарятся, и плотность пара над жидкостью будет увеличиваться. Однако одновременно с этим будет расти и число молекул, возвращающихся в результате хаотического теплового движения обратно в жидкость. В конце концов, устанавливается равновесное состояние: число молекул, покидающих поверхность жидкости, становится равным числу молекул пара, возвращающиеся за то же время в жидкость. Такое равновесие называется динамическим или подвижным. При динамическом равновесии между жидкостью и ее паром одновременно происходит и испарение жидкости, и конденсация пара, и оба процесса в среднем компенсируют друг друга. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром. Насыщенный пар имеет при данной температуре наибольшее количество молекул в единице объема (а значит, и наибольшую плотность) и оказывает наибольшее давление. Ненасыщенный пар. Пар, не находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется не насыщенным. у разных жидкостей динамическое равновесие с паром наступает при различной плотности пара. Причина этого заключается в различии сил межмолекулярного взаимодействия. В жидкостях, у которых силы межмолекулярного взаимодействия велики, например к ртути, только наиболее "быстрые" молекулы, число которых незначительно, могут вылетать из жидкости. Поэтому для таких жидкостей уже при небольшой плотности пара наступает состояние равновесия.
Содержание водяного пара в воздухе, т.е атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов и водяного пара. Каждый из газов вносит свой вклад в суммарное давление, производимое воздухом на находящиеся в нем тела. Давление, которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали, называется парциальным давлением водяного пара. Его выражают в единицах давления - паскалях или миллиметрах ртутного столба. Относительной влажностью воздуха ϕ называют отношение парциального давления p водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению p0 насыщенного пара при той же температуре, выраженной в процентах:
ϕ
=
* 100%
Относительную влажность воздуха измеряют с помощью специальных приборов, например психрометр. Он состоит из двух термометров. резервуар одного из них остается сухим, и он показывает температуру воздуха. Резервуар другого окружен полоской ткани, конец которой опущен в воду. Вода испаряется, и благодаря этому термометр охлаждается. Чем больше относительная влажность, тем менее интенсивно идет испарение, и тем меньшую разницу температур показывают оба термометра. При относительной влажности, равной 100%, вода вообще не будет испаряться, и показания обоих термометров будут одинаковы. По разности температур этих термометров с помощью специальных таблиц можно определить влажность воздуха.
Точка росы. При охлаждении влажного воздуха при постоянном давлении его относительная влажность повышается, так как чем ниже температура, тем ближе парциальное давление пара в воздухе к давлению насыщенного пара. В конце концов, пар становится насыщенным. Температура t до которой должен охладится воздух, чтобы находящийся в нем пар достиг состояния насыщения (при данной влажности воздуха и неизменном давлении), называется точкой росы. Давление насыщенного пара при температуре воздуха, равной точке росы, и есть парциальное давление водяного пара, содержащегося в его атмосфере. При охлаждении воздуха до точки росы начинается конденсация паров: появляется туман, выпадает роса.
Абсолютная влажность и парциальное давление водяного пара связаны уравнением Мендлеева-Клайперона:
где ρ – плотность водяного пара, содержащегося в воздухе.
Благоприятное значение влажности для человека 40 – 60%.