Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Уже первые опыты по электричеству показали, что есть проводники и диэлектрики.

Проводниками являются тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему объему. К проводникам относятся металлы, растворы электролитов.

Диэлектриками (или изоляторами) называются тела, в которых практически отсутствуют свободные заряда. К диэлектрикам относятся стекло, пластмасса.

Е сли незаряженный проводник внести во внешнее поле, то положительные заряды будут перемещаться по полю, отрицательные – против поля. На внешней поверхности проводника накапливаются избыточные заряды: на одном конце проводника – положительные, на другом конце – отрицательные. Эти заряды называются индуцированными. Заряды перемещаются до тех пор, пока внутри проводника напряженность поля не станет равной нулю.

Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией.

Явление электростатической индукции может быть использовано для электростатической защиты.

Так, например, поместив измерительные приборы внутрь металлической сетки, можно защитить их от влияния внешних электрических полей.

  

Д иэлектрик, как и всякое вещество, состоит из атомов и молекул. Молекулу диэлектрика можно считать электрическим диполем, положительный заряд которого равен суммарному заряду ядер, а отрицательный заряд  суммарному заряду электронов.

Электрический диполь представляет собой систему двух равных по модулю разноименных точечных зарядов +q и –q, находящихся на расстоянии l друг от друга. Дипольный момент диполя

p = ql.

Под действием внешнего электрического поля диэлектрик поляризуется. Это означает, что результирующий дипольный момент молекул диэлектрика становится отличным от нуля.

Количественной мерой поляризации диэлектрика служит вектор P, который называется вектором поляризации ,

где V –объем диэлектрика; знаком суммы определяется суммарный дипольный момент молекул в объеме V.

Поляризация диэлектрика во внешнем электрическом поле сопровождается возникновением в поверхностном слое диэлектрика поляризационных зарядов.

Напряженность результирующего поля в диэлектрике

E = E₀  E_п,

где E₀  вектор напряженности внешнего поля; E_п  вектор напряженности поля поляризационных зарядов

Величина называется диэлектрической проницаемостью среды. Диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком.

Поле в диэлектрике часто характеризуют электрическим смещением

D = ₀E + P

Электрическое смещение связано с напряженностью поля

D = = ₀E.

Основные формулы электростатики для полей в диэлектриках следует записывать с учетом диэлектрической проницаемости среды, например, закон Кулона следует записать так: .

  

Опыт показывает, что разные проводники, заряженные одинаково, приобретают различные потенциалы. Для уединенного проводника потенциал поля , создаваемого зарядом q, пропорционален заряду проводника

q = C.

Величина

называется электроемкостью (или просто емкостью).

Устройства, которые при относительно небольшом потенциале накапливают заметные по величине заряды и, следовательно, имеют большую емкость, получили название конденсаторов.

Конденсатор состоит их двух проводников (обкладок), разделенных диэлектриком. Различают плоские, сферические и цилиндрические конденсаторы.

Емкостью конденсатора называется физическая величина, равная отношению накопленного в конденсаторе заряда к разности потенциалов между его обкладками

.

Емкость плоского конденсатора

,

где S  площадь пластины; d  расстояние между пластинами конденсатора.