5.2. Диэлектрики

Диэлектрики — вещества в которых отсутствуют свободные носители заряда. В диэлектриках существуют полярные и неполярные молекулы.

К полярным относятся молекулы, в которых имеются части с ярко выраженным сосредоточенным зарядом.

К неполярным относятся молекулы, в которых части с ярко выраженным сосредоточенным зарядом отсутствуют.

Воздействуя внешним электрическим полем, можно получить из неполярной молекулы полярную. Поляризуемость — свойство вещества, характеризующее способность превращения молекул из неполярных в полярные.

Два равных по модулю и разнесенных друг от друга разноименных заряда называют диполем. Расстояние между зарядами называется плечом диполя.

Рис. 5.6.

На положительный заряд действует электрическая сила, направленная в сторону электрического поля. На отрицательный заряд действует сила, направленная в противоположную от электрического поля сторону. Длины векторов сил равны.

Рассчитаем работу, совершенную при повороте полярной молекулы на угол (электрического диполя)

По закону сохранения и превращения энергии, совершенная работа идет на сообщение потенциальной энергии. Потенциальная энергия определяется формулой

Процесс поворота, ориентации вдоль силового поля молекул во внешнем электростатическом поле называется ориентационной поляризацией.

Опыты с диэлектриками

Оборудование:

1. Демонстрационный плоский конденсатор.

2. Подвешенные на изолирующих нитях стеклянные палочки диаметром 5 мм и длиной 5-7 см.

3. Электрофорная машина.

4. Соединительные провода.

5. Штативы.

6. Электрометр с большим шаровым кондуктором.

7. Металлическая трубка прямоугольного сечения с подвешенным на изолирующей нити металлическим стерженьком в форме стрелки, размеры трубки 12х12х25 см.

8. Большой химический стакан с прикрепленным к его дну на изолирующей нити металлическим стерженьком в форме стрелки.

9. Изолирующая подставка.

Рис. 5.7.

Рис. 5.8.

Рис. 5.9.

Выводы: Диэлектрик в электрическом поле не остается электрически нейтральным – он поляризуется – палочки ведут себя как электрические диполи. Металл экранирует пространство от электростатического поля, диэлектрик – нет.

5.3. Векторы поляризации и электростатической индукции

Для количественного описания этого процесса используют вектор поляризации.

Вектором поляризации называется физическая величина, численно равная суммарному электрическому моменту всех молекул, заключенных в единицу объема.

Рис. 5.5.

Заряды внутри молекул диэлектрика называются связанными зарядами. Результирующее поле характеризуется вектором электростатической индукции D и по принципу суперпозиции определяется как векторная сумма внешнего поля E и поля связанных зарядов P, т.е.

Для изотропных сред  - скаляр.

Для анизотропных сред  - тензор.

6. Электроемкость. Конденсаторы и их применение. Энергия и плотность энергии заряженного конденсатора

1. Электроемкость.

2. Конденсаторы и их применение.

3. Энергия и плотность энергии заряженного конденсатора.

6.1. Электроемкость

Если сравнить формулы, описывающие зависимость напряженности электрического поля и потенциала этого поля от величины заряда тела, то можно заметить, что для большинства проводников между напряженностью поля вблизи поверхности проводника и его потенциалом существует прямо пропорциональная зависимость.

С другой стороны, известно, что напряженность поля прямо пропорциональна плотности заряда (либо , либо , либо ) и, следовательно, величине самого заряда тела. Таким образом, можно записать, что E прямо пропорциональна q, это означает, что для большинства тел существует прямо пропорциональная зависимость между зарядом и потенциалом, т. е.

где С — электроемкость.

Электроемкостью называется физическая величина, равная заряду, при сообщении которого потенциал повышается на единицу.

Электроемкость зависит от формы, размера проводника и диэлектрической проницаемости среды, окружающей проводник.