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:
.
(5.2)
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. Момент сил, действующий на полярную молекулу (электрический диполь), может быть вычислен по формуле:
(5.3)
Рассчитаем
работу, совершенную при повороте полярной
молекулы на угол
(электрического диполя):
(5.4)
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.
Опыт 5.2. Диэлектрики в электрическом поле (рис. 5.7; рис. 5.8; рис. 5.9) [7]
Оборудование:
Демонстрационный плоский конденсатор.
Подвешенные на изолирующих нитях стеклянные палочки диаметром 5 мм и длиной 5-7 см.
Электрофорная машина.
Соединительные провода.
Штативы.
Электрометр с большим шаровым кондуктором.
Металлическая трубка прямоугольного сечения с подвешенным на изолирующей нити металлическим стерженьком в форме стрелки, размеры трубки 12х12х25 см.
Большой химический стакан с прикрепленным к его дну на изолирующей нити металлическим стерженьком в форме стрелки.
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. 5.10.
Заряды
внутри молекул диэлектрика называются
связанными зарядами. Результирующее
поле характеризуется вектором
электростатической индукции
и
по
принципу
суперпозиции определяется как векторная
сумма внешнего поля
и
поля связанных зарядов
,
т.е.
(5.7)
(5.6)
Для изотропных сред - скаляр.
Для анизотропных сред - тензор.
Опыт 5.3. Поляризация диэлектрика.
Цель работы: Изучение поляризации диэлектриков.
Оборудование:
Лейденская банка
Электростатическая машина
Медная пластина
Разрядник
Рис.5.11.
Ход работы.
Демонстрация начинается со сборки лейденской банки. В металлический внешний цилиндр вставляется стеклянный диэлектрический цилиндр. Затем в него помещают внутренний металлический цилиндр с закрепленным в нем металлическим штоком. Собранная банка ставится на медную пластину, соединенную с одним из полюсов электростатической машины.
Рис.5.12.
Банку заряжают через разрядник (рис 5.12): одним концом разрядника касаются свободного полюса машины, а другой подносят к штоку на небольшое расстояние. Затем показывают разряд банки, касаясь одним концом разрядника внешнего металлического электрода лейденской банки и поднося второй конец к штоку. Наблюдают искру, проскакивающую между разрядником и штоком, и слышим характерный звук электрического разряда.
Повторно заряжают лейденскую банку. Затем полностью разбирают. На металлических электродах банки никого заряда практически не осталось. Их спокойно можно взять руками, соединить друг с другом и при этом никакого разряда не происходит.
Затем банку собирают вновь. Подносят разрядник, касаясь им внешнего металлического цилиндра и приближая другой конец разрядника к штоку внутреннего металлического цилиндра. Снова наблюдается разряд.
Обратите внимание, время, в течение которого сохраняется поляризация стекла, зависит как от свойств стекла, так и от влажности в аудитории.
Выводы: Помещенный в электрическое поле диэлектрик приобретает полярность: та часть его поверхности, в которую входят силовые линии, заряжается отрицательно, а противоположная часть - положительно.