- •«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
- •Физика, часть 2
- •1.Электростатика
- •1.1.Электрические заряды и электрическое поле. Принцип суперпозиций полей
- •1.2.Понятие о плотности заряда
- •1.3.Применение принципа суперпозиции к расчету электростатических полей. Электростатическое поле на оси заряженного кольца
- •Подставим выражение (1.14) в формулу (1.13) и вынесем за знак интеграла постоянные величины, получим:
- •1.4.Геометрическое описание электрического поля. Поток вектора напряжённости
- •1.6.Теорема Остроградского-Гаусса
- •1.7. Применение теоремы Остроградского-Гаусса к расчёту электростатических полей
- •2. Поле двух бесконечных параллельных плоскостей, заряженных разноимённо.
- •3.Поле бесконечного равномерно заряженного по поверхности цилиндра
- •4.Поле равномерно заряженной по поверхности сферы
- •1.8. Работа сил электростатического поля. Потенциал
- •Подставим выражения (1.47) и (1.48) в формулу (1.46), получим:
- •1.9. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля
- •1. 10. Связь между напряженностью электростатического поля и потенциалом
- •1.11. Вычисление потенциала по напряженности поля
- •2.Электрическое поле в веществе
- •2.1.Электрическое поле в диэлектриках. Диполь и дипольный момент. Поляризованность
- •Внутреннее электрическое поле в диэлектрике (микрополе) достигает величины Евнутр.1011в/м. Внешние поляЕвнеш..107в/м.
- •Поляризованность диэлектрика определится выражением:
- •Безразмерная величина показывает, во сколько раз напряженность поля в диэлектрике меньше, чем в вакууме. Она называетсяотносительной диэлектрической проницаемостью вещества.
- •2.2.Виды диэлектриков и механизм поляризации
- •2.3. Сегнетоэлектрики и их свойства
- •2.4. Пьезоэлектрический эффект
- •2.5. Вектор электрического смещения. Теорема Гаусса для электрического поля в диэлектрике
- •2.5. Проводники в электрическом поле
- •2.6. Электроемкость уединенного проводника. Конденсаторы.
- •2.6. Параллельное и последовательное соединение конденсаторов
- •2.7. Энергия электрического поля
- •3. Постоянный электрический ток
- •3.1.Характеристики электрического тока
- •3.2.Законы Ома и Джоуля-Ленца для однородного проводника
- •Разность потенциалов на концах цилиндра равна
- •Сопротивление цилиндра выражается формулой
- •3.3.Сторонние силы. Э.Д.С. Закон Ома для неоднородного участка цепи
- •Второй интеграл равен разности потенциаловна концах участка:
- •Это выражение называется законом Ома для неоднородного участка цепи.
- •3.4. Правила Кирхгофа
- •3.5. Классическая электронная теория металлов
- •Вывод закона Ома на основе электронной теории
- •Вывод закона Джоуля-Ленца на основе электронной теории
- •Вывод закона Видемана-Франца на основе электронной теории
- •3.6. Достоинства и затруднения классической электронной теории металлов Классическая электронная теория металлов (как и любая другая теория) имеет свои достоинства и недостатки.
- •3.7. Работа выхода электронов из метала. Термоэлектронная эмиссия
- •4. Магнитное поле в вакууме
- •4.1. Магнитная индукция. Закон Ампера.
- •4.2. Магнитное поле в вакууме. Закон Био-Савара - Лапласа.
- •4.3. Магнитное поле прямолинейного проводника с током
- •4.4. Магнитное поле кругового тока
- •4.5. Магнитный момент витка с током
- •4.6. Магнитное поле движущегося заряда
- •4.7. Вихревой характер магнитного поля. Циркуляция вектора магнитной индукции. Закон полного тока
- •Из рисунка следует, что
- •4.8. Применение закона полного тока. Магнитное поле соленоида и тороида
- •Подставляя (4.43) в (4.42) и производя сокращения, получим: . (4.44)
- •4.9. Сила Лоренца
- •4.10. Движение заряженных частиц в магнитном поле
- •Период обращения частицы по окружности равен:
- •4.11. Эффект Холла
- •4.12. Механическая работа в магнитном поле
- •4.14. Контур с током в однородном магнитном поле
- •4.15. Контур с током в неоднородном магнитном поле
- •5. Магнитное поле в веществе
- •5.1. Намагничивание вещества. Вектор намагниченности
- •5.2. Закон полного тока для магнитного поля в веществе
- •5.3. Магнитные моменты электронов и атомов
- •Движущийся по орбите электрон обладает моментом импульса:
- •5.4. Влияние магнитного поля на орбитальное движение электронов. Объяснение диамагнетизма
- •5.5. Парамагнетизм
- •5.6. Классификация магнетиков
- •5.7. Ферромагнетики и их свойства
- •5.8. Доменная структура и механизм намагничивания ферромагнетиков
- •5.9. Антиферромагнетизм. Ферримагнетизм. Ферриты
- •6. Электромагнитная индукция
- •6.1. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца.
- •6.2. Природа электромагнитной индукции
- •6.3. Токи Фуко
- •. (6.11)
- •6.4. Явление самоиндукции. Э.Д.С. Самоиндукции. Индуктивность
- •6.5. Явление взаимной индукции. Взаимная индуктивность. Трансформаторы
- •6.6. Токи при размыканиии и замыкании цепи
- •Задача об исчезновении тока при размыкании цепи
- •Задача об установлении тока при замыкании цепи
- •6.6. Энергия магнитного поля. Объёмная плотность энергии
Безразмерная величина показывает, во сколько раз напряженность поля в диэлектрике меньше, чем в вакууме. Она называетсяотносительной диэлектрической проницаемостью вещества.
2.2.Виды диэлектриков и механизм поляризации
Механизм поляризации связан с конкретным строением диэлектрика. По характеру строения диэлектрики можно разделить на несколько групп.
Неполярные или нейтральные диэлектрики.
Полярные диэлектрики.
Ионные диэлектрики или ионные кристаллы.
Особое место занимают сегнетоэлектрики.
Неполярными (нейтральными) называют диэлектрики, молекулы которых в отсутствие внешнего поля не имеют собственного дипольного момента. Типичные представители:
газы – водород, азот, кислород;
жидкости – циклические углеводороды (бензол);
твердые вещества – парафин, полистирол.
Механизм поляризации неполярных диэлектриков – электронный или деформационный.
Рассмотрим электронную поляризацию на примере атома водорода (рис.2.2).
В отсутствие электрического поля электронные оболочки атомов имеют сферически-симметричную форму, и дипольные моменты атомов равны нулю.
Создадим электрическое поле. Поле будет действовать на электроны, конфигурация электронных оболочек изменится, произойдет их деформация. В результате этого возникнут упругие диполи, и дипольный момент каждого атома будет пропорционален напряженности поля: p ~ E.
Диэлектрическая проницаемость ε в этом случае зависит от числа атомов в единице объема:
для газов ε мало отличается от единицы ( ε=1,0003 для сухого воздуха при нормальных условиях);
для жидкостей εж 2,5 (бензол);
для твердых веществ εтв =26.
При изменении температуры диэлектрическая проницаемость (также как плотность) изменяется скачком при фазовых переходах.
В переменных электрических полях диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков почти не зависит от частоты. Это объясняется тем, что время установления конфигурации электронной оболочки очень мало (τ 10-15 с). Отклонения имеют место при частотах ν 1015 Гц (оптический диапазон).
Так как электронная поляризация связана с деформацией электронных оболочек, то она имеет место во всех веществах без исключения, но проявляется в чистом виде только у неполярных диэлектриков.
Полярными называют диэлектрики, молекулы которых в отсутствие внешнего электрического поля имеют собственный дипольный момент.
Типичные представители: вода, нитробензол, эпоксидные смолы, пластмассы, канифоль. Механизм поляризации полярных диэлектриков ориентационный (плюс электронная поляризация).
Рассмотрим поведение диполя во внешнем электрическом поле (рис.2.3). На положительный заряд действует сила, на отрицательный -. Вращающий момент этойпары сил равен:
.
Под действием этого момента сил диполь стремится развернуться в направлении поля.
Молекулы полярных диэлектриков обладают дипольным моментом и представляют собой жёсткие диполи. В отсутствие внешнего электрического поля тепловое движение молекул приводит к хаотичной, беспорядочной ориентации диполей; (рис.2.4, а) их суммарный дипольный момент равен нулю.
При наложении поля ориентация диполей определяется двумя факторами:
действием электрического поля, которое стремится развернуть диполи и расположить их параллельно внешнему полю;
тепловым движением, под действием которого происходит «разброс» дипольных моментов по всем направлениям.
В результате действия этих двух факторов устанавливается преимущественная ориентация диполей в направлении поля (рис.2.4,б).
Диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков обычно уменьшается с ростом температуры.
Приведем значения диэлектрической проницаемости некоторых полярных диэлектриков (при нормальных условиях):
оргстекло: ε=3,5;
вода: ε=81;
диметилформамид: ε>100.
Ионные диэлектрики (ионные кристаллы). Типичные представители: хлорид натрия (NaCl), бромид калия (KBr), корунд (Al2O3), cлюда.
Изобразим ионный кристалл в виде плоской решётки, состоящей из положительных и отрицательных ионов (рис.2.5,а ).
Суммарный дипольный момент такой решетки равен нулю.
Поместим такой диэлектрик в электрическое поле (рис.2.5, б ).
Положительные ионы сдвинутся в направлении поля, отрицательные - в направлении, противоположном полю. Ионный диэлектрик приобретает дипольный момент.
Этот тип поляризации называется ионной поляризацией.
Механизм поляризации ионных диэлектриков - ионный (плюс электронная поляризация).