Лекція № 5

Провідники та діелектрики в електростатичному полі.

1. Провідники, діелектрики, напівпровідники. 2. Провідники в електростатичному полі. 3. Діелектрики в електростатичному полі. 4. Механізм поляризації діелектриків.

1. Провідники, діелектрики, напівпровідники

В залежності від величини питомого опору, що чинять речовини постійному струму вони поділяються на:

провідники

напівпровідники

діелектрики

Надзвичайно велика різниця опорів міді і ебоніту!!!

Опір кращих ізоляторів перевищує опір кращих провідників тіл, як маса Земної кулі перевищує масу яблука.

Провідниками називають такі речовини, у яких при кімнатній температурі має місце дуже велика концентрація так званих “вільних” електронів. Електрони вільні, оскільки не зв’язані з атомами і можуть рухатись по провіднику при як завгодно малому значенні електричного поля у його об’ємі.

Провідники бувають:

І роду – метали, носії заряду – електрони. Проходження струму не змінює стану тіл, природу речовини.

ІІ роду – розчини електролітів, розплави солей. Носії заряду – іони. При проходженні струму виникають хімічні зміни і виділення речовини.

Діелектриками називаються речовини, які містять протони, нейтрони, електрони такі ж, як і в металах. Але тут електрон рухається виключно в межах атому, чи молекули. Електричне поле, нагрівання чи інший вплив не може змінити характер руху. Надзвичайно сильні поля можуть виривати електрони з оболонок, але це приводить до лавинного пробою ,миттєвого розігріву і руйнування розрушенням речовини.

Напівпровідники – щось середнє між металами та діелектриками. Деякі більш схожі на метал, деякі мають мало власних носіїв заряду, як діелектрик.

Найхарактернішою ознакою напівпровідників виявляється залежність провідності від температури, освітлення, наявності домішок. Якщо при нагріванні чи освітленні речовина збільшує провідність, то це напівпровідник.

2. Провідник в електростатичному полі.

С початку розглянемо процеси в діелектрику, які виникають в даному електричному полі. Зовнішнє поле викликає зміщення орбіт електронів, тобто поляризацію атомів. Виникає поляризаційне поле , яке за принципом суперпозиції приводить до зменшення в разів зовнішнього поля ( - діелектрична про-никність діелектрика).

З

-

міщення зарядів обмежено межами атому, оскільки

в діелектриках електрони надто міцно утримуються

атомом і не можуть покинути його межі.

Це приводить до зниження , але ніколи не

з нищує його зовсім, навіть для .

Принципово інша ситуація виникає, коли в електростатичне поле вноситься провідник, де практично всі валентні електрони вільні і рух нічим не обмежений. Тут зміщення зарядів буде відбуватись до тих пір, поки зелектростатичне поле в об’ємі провідника не зникне зовсім. Саме за таких умов можлива статична рівновага зарядів,адже при найменшому силовому впливі на них в об’ємі провідника вони рухатимуться, доки не встановиться рівновага. Її умова:

, тобто в об’ємі провідника

, тобто поверхні провідника, (1)

де вектор напруженості поля, направлений уздовж ліній нормалі до поверхні металу.

Я кщо спочатку було поле точкового заряду, то внесення в нього сферичного провідника з радіусом R утворює у цьому полі сферичну порожнину (рис.1).

Рис 1.

Зовнішнє поле зміщує і перерозподіляє електронну підсистему металу таким чином, щоб на правій частині провідника оголилися іони поверхні, а зліва поверхневий заряд зміщених електронів мав протилежний знак. Неважко здогадатись, що мова йде про заряди у дуже тонкому поверхневому шарі, тому провідник А може являти собою дуже тонку оболонку, усередині якої вакуум, чи діелектрик, і у цьому випадку умова в об’ємі провідника буде забезпечена.

Ця властивість металів має величезне практичне значення:

1) можна легко створити електростатичне поле між двома металевими обкладинками конденсатора.

2) можна забезпечити повний захист бажаного об’єму від проникнення в нього статичних або слабо змінних електричних полів.

На жаль такої можливості ми не маємо у випадку гравітаційних полів.

Зміщені зовнішнім полем на поверхню провідника заряди мають назву індукованих, саме явище називається електростатичної індукції.

Напруженість електростатичного поля біля самої поверхні провідника визначається формулою .

Чим більша була початкова напруженість електростатичного поля (зовні) тим більшою буде густина _і індукованих зарядів, які виходять на поверхню провідника.

З того, що лінії напруженості в усіх точках провідника, вміщеного в електричне поле, перпендикулярні до поверхні, випливає важливий висновок: в умовах рівноваги зарядів поверхня провідника – еквіпотенціальна поверхня. Цей теоретичний висновок підтверджується прямим вимірюванням: стрілка як завгодно чутливого гальванометра не зрушить з нуля, якщо прилад приєднати до двох точок провідника, заряди на якому нерухомі.