5.1.1.17. Диэлектрик в электрическом поле

Поместим диэлектрик, состоящий из двух частей, в электрическое поле. Разделим диэлектрик. Обе его части остались электрически нейтральными. Значит, в диэлектрике нет свободных электрических зарядов.

Поместим деревянную рейку на стеклянную подставку. Поднесём к концу рейки заряд +q. Рейка поворачивается в сторону заряда. Значит, в диэлектрике есть электрические заряды.

Таким образом, в диэлектрике:

1) есть электрические заряды; 2) они связаны (не свободны).

Поведение диэлектрика объясняют тем, что его молекула – диполь.

Диполь – система двух связанных зарядов одинаковой величины и противоположных знаков.

При отсутствии поля диполи расположены произвольно. Под действием внешнего электрического поля они смещаются и ориентируются вдоль его силовых линий, создавая внутреннее поле . или .

Поляризация диэлектрика – процесс ориентации диполей.

Таким образом, диэлектрик ослабляет внешнее электрическое поле (его напряжённость уменьшается в диэлектрике в  раз).

При чрезмерной напряжённости внешнего поля происходит пробой диэлектрика: диполи разрушаются, образуя свободные движущиеся носители заряда. Примером пробоя является молния.

5.1.1.18. Электрическая ёмкость проводника

Закрепим проводящую пластину 1 на изолирующей подставке. К пластине подключим электрометр 2. Сообщая пластине заряд Q, наблюдаем её потенциал  относительно Земли. Оказалось, что для данного проводника Q  , или Q = С.

Электрическая ёмкость проводника (С) – отношение заряда Q проводника к его потенциалу .

– фарад

Поместим проводник 3 рядом с 1 (1 имеет заряд Q и потенциал ₁). На проводнике 3 наводится заряд «–Q», ослабляющий поле проводника 1 и уменьшающий его потенциал (заряд проводника 1 не меняется). Значит, ёмкость С проводника 1 возросла.

Соединим проводник 3 с Землёй. Положительный заряд с него ушёл в Землю, остался заряд «–Q». При этом ₁ ещё уменьшился, а С – возросла.

Поместим между пластинами диэлектрик (стекло) и сдвинем их между собой. В диэлектрике возникает связанный заряд «–Q'», расположенный очень близко к заряду «+Q» пластины 1. При этом ₁ ещё уменьшился, С – возросла.

Таким образом, ёмкость проводника зависит от:

1) его размеров и формы;

2) наличия около него других проводников;

3) наличия вокруг него диэлектрической среды и её свойств.

Потенциал поля шара: (п.5.1.1.10), т. е. ёмкость шарообразного (сферического) проводника пропорциональна его радиусу r₀.

• Ёмкость Земли (R  6,410⁶ м): Ф.

5.1.1.19. Конденсатор

Конденсатор – система двух проводников (обкладок), разделённых слоем диэлектрика, предназначенная для накопления и хранения заряда.

• Размеры обкладок существенно превышают расстояние между ними.

Возьмём конденсатор. Каждая из его обкладок электрически нейтральна и разности потенциалов между ними нет. Подключим к обкладкам аккумуляторную батарею. Обкладка 1 примет от неё заряд «+ Q» и её потенциал ₁ станет ₊, обкладка 2 примет заряд «– Q» и её потенциал ₂ станет _–. Этот процесс (зарядка конденсатора) протекает быстро (как правило от долей секунды до нескольких секунд).

После окончания зарядки: ₁ = ₊ ₂ = _– = ₁ – ₂

Q₁ = +Q; Q₂ = –Q; .

Тогда ёмкость конденсатора .

Отключим источник напряжения. Конденсатор заряжен, его обкладки несут заряды «+ Q» и «– Q». Соединим их проводником. Заряды «+ Q» и «– Q» нейтрализуют друг друга – произойдёт разрядка конденсатора (это происходит практически мгновенно и, как правило, сопровождается искрой).

• Рабочая разность потенциалов конденсатора не должна приводить к пробою его диэлектрика.

• Ёмкость плоского конденсатора (обкладки – плоские пластины) определяют по формуле: , где S – площадь обкладки; d – расстояние между обкладками.

• Ёмкость конденсатора зависит от его геометрии (d, S) и диэлектрика ().

• Обкладки расположены близко друг к другу, несут равные по величине и противоположные по знаку заряды, поэтому за их пределами поле практически отсутствует.