3. Вещество и электрическое поле. Проводники и диэлектрики в электрическом поле.

Все вещества по наличию свободных зарядов делятся на три группы:

а) Тела, обладающие большим количеством свободных заряженных частиц, а значит хо­рошей проводимостью, называются проводниками (металлы, электролиты),

б) Тела, не обладающие свободными заряженными частицами – диэлектрики или изоля­торы (воздух, фарфор),

в) Вещества с промежуточной проводимостью – полупроводники (германий, кремний).

1. Проводник в электрическом поле.

Рисунок 1 Экранированный кабель

Металлический проводник состоит из положительных ионов в узлах кристаллической решетки и свободных электронов - электронный газ.

Рисунок 2 Металлический шкаф для защиты от электростатических полей

Под действием внешнего электрического поля электроны перемещаются против силовых линий до тех пор, пока между зарядами, скопившимися на поверхности, электрическое поле не станет равным, но противоположным внешнему электриче­скому полю. Результирующее поле

Е = Евнеш – Евнут = 0.

Внутри проводника напряженность электрического поля равна нулю, а потенциал, как показывают вычисления, остается везде постоянным и не равен нулю. Еd = φ₁-φ₂ , если Е=0, то φ₁=φ₂. На этом свойстве проводников основана защита от элек­трических полей. Приборы, подверженные влиянию внешних электрических полей, за­ключают в металлический кожух или сетку.

2. Д иэлектрик в электрическом поле.

М олекулы диэлектрика можно представить как диполи (Н₂О) или как ядро с симметрич­ным электронным облаком. В первом случае под действием внешнего электрического поля молекулы диполи поворачиваются и на по­верхности появляются два заряженных слоя, которые создают внутреннее электрическое поле меньше, чем внешнее. Напряженность результирующего поля находится Е_рез = Е_внеш- Е_внут

Величина, показывающая, во сколько раз ослабляется внешнее электрическое поле, называется относительной диэлектрической проницаемостью среды

ε = Е_внеш / Е_рез

Если молекулы диэлектрика не диполи, то под действием внешнего электрического поля отрицательное облако смещается против силовых линий и сим­метрия нарушается, а молекулы становятся диполями. На поверхно­сти образца заряды будут нескомпенсированными. Явление образова­ния зарядов на поверхности диэлектрика под действием электриче­ского поля, называется поляризацией. Мерой поляризации является вектор поляризации равный сумме дипольных моментов молекул. Ре = Ре_о, где Ре_о=qℓ (q- заряд, ℓ- расстояние между зарядами).

Вопросы:

1. На какие группы по наличию свободных зарядов делятся все вещества?

2. Какие вещества называются проводниками?

3. Какие вещества называются диэлектриками?

4. Какие вещества называются полупроводниками?

5. Какие проводниковые материалы Вы знаете?

6. Назовите проводниковые сплавы высокого на основе меди и никеля.

7. Назовите масла, применяемые в качестве изоляторов.

8. Назовите высокополимерные органические диэлектрики.

9. Что можно сказать об электрическом поле внутри проводника?

10. Как устроен антенный провод?

11. Как можно смоделировать молекулы воды?

12. Что такое относительная диэлектрическая проницаемость среды?

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ 3

1. Два заряда, находясь в воздухе на расстоянии 0,05 м, действуют друг на друга с силой 1,2·10^-4 Н, а в некоторой непроводящей жидкости на рас­стоянии 0,12 м с силой 1,5·10^-5 Н. Какова ди­электрическая проницаемость жидкости?

1,4

2. На каком расстоянии друг от друга надо распо­ложить два заряда по 5·10^-6 Кл, чтобы в керосине сила взаимодействия между ними оказа‌‌лась равной 0,5 Н? Диэлектрическая проницае­мость керосина равна 2.

0,47 м

3. К акова напряженность электрического поля, создаваемого двумя зарядами 6•10^-9 и 2 • 10^-8 Кл в точке, находящейся между зарядами на расстоянии 0,03 м от первого заряда на линии, соединяющей заряды? Расстояние между зарядами 0,05 м, и находятся они в среде с диэлектрической проницаемостью 2.

1,95·10⁵ Н/Кл

4. Одинаковые шарики, подвешенные на закрепленных в одной точке нитях равной длины, зарядили одинаковыми одно­именными зарядами. Шарики оттолкнулись, и угол между нитя­ми стал равен α 60°. После погружения шариков в жидкий ди­электрик угол между нитями уменьшился до (β=50°). Найти ди­электрическую проницаемость среды. Выталкивающей силой пре­небречь.