Диэлектрик в электрическом поле.

В диэлектрике отсутствуют свободные носители зарядов. Все электрические заряды диэлектрика входят в состав его молекулы и могут смещаться лишь на очень маленькие расстояния – в пределах одной молекулы или атома.

Если атом попадает в электрическое поле с напряженностью E, то электронное облако сместится против направления E на некоторое расстояние l относительно ядра. Поэтому можно считать, что весь отрицательный заряд облака сосредоточен в его центре, а весь атом, находящийся в электрическом поле, можно представить в виде двух зарядов, которые расположены на расстоянии l. Такую систему называют диполем.

Поляризация диэлектрика, обусловленная смещением электронных облаков в молекулах относительно ядер называется электронной поляризацией.

РИСУНОК

В отсутвии электрического поля природные диполи расположены хаотически, поэтому их поля взаимно скомпенсированы. Если внести такой диэлектрик во внешнее поле, то на каждый диполь будет действовать пара сил. Поэтому диполи поворачиваются, а в сильном поле даже выстраиваются цепочками вдоль линии напряженности поля. Диполи при этом создают собственное поле, ослабляющее внешнее поле в диэлектрике.

Это явление называется дипольной поляризацией (уменьшается при повышении температуры).

В кристаллических диэлектриках, имеющих ионное строение, наблюдается ионная поляризация. Под влиянием внешнего поля положительные ионы смещаются по направлению вектора напряженности, а отрицательные ионы – в обратную сторону.

Разноименно заряженные концы соседних диполей должны взаимно нейтрализовать свои воздействия на другие заряды. Нескомпенсированными остаются только заряды на концах диполей, выступающих на поверхность диэлектрика. Все заряды на поверхности поляризованного диэлектрика являются связанными, то есть входят в состав молекул.

Разделяя поляризацию диэлектриков на части нельзя отделить положительные заряды от отрицательных. На противоположных концах каждой части поляризации диэлектрика при этом всегда остаются заряды различных знаков.

Электрическая емкость проводника.

q = C*«Фи»

Величина, характеризующая зависимость заряда на электризованного проводника от размеров и формы проводника и внешних условий, называется электрической емкостью проводника.

[C] = Кл/м = Ф

Конденсаторы.

Приборы, служащие для накопления электрических зарядов или электрического поля называются конденсаторами.

Конденсаторы состоят из двух проводников, разделенных слоем диэлектрика.

Диэлектрик необходим для:

1) увеличения емкости конденсатора;

2) не дает зарядам нейтрализоваться.

Проводники, которые накапливают заряды, называются обкладками.

Накопление зарядов на обкладках конденсатора называется зарядкой.

Нейтрализация зарядов конденсатора при соединении его обкладок называется разрядкой.

C = q/U

Виды конденсаторов:

I. По форме обкладок.

1) плоские,

2) цилиндрические.

II. По типу диэлектрика.

1) бумажные,

2) слюдяные,

3) керамические,

4) воздушные и т.д.

Емкость плоского конденсатора:

C = (ε*ε0*S)/d

d – толщина диэлектрика.

S – площадь пластины.

Соединение конденсатовров в батарею.

I. Последовательное соединение конденсаторов в батарею.

Последовательное соединение – такое соединение, ри котором отрицательно заряженная пластина предыдущего конденсатора соединена с положительно заряженной обкладкой последующего.

РИСУНОК

q1 = q2 = q3 = qn

U1 + U2 + U3 + … + Un = Uб

q = С*U => U = q/С

q/С1 + q/С2 + q/С3 = … + qn/Сn = q/Сn

1/ Сб =1/С1 + 1/С2 + 1/С3 + …

II. Параллельное соединение конденсаторов в батарею.

Параллельное соединение – такое соединение конденсатов, при котором все положительно заряженные обкладки присоединяются к одному проводу, а отрицательные – к другому.

РИСУНОК

U1 = U2 = U3 = Un

q1 + q2 + q3 + … + qn = qб

q = С*U =>

Сб*U = С1*U + С2*U + С3*U + …

Сб*U = С1 + С2 + С3 + …

Энергия электрического поля.

Если напряжение остается постоянным, то

A = q*U.

При зарядке конденсатора напряжение возрастает от 0 до U =>

A = q*Uср = [q*(U+0)]/2 = (q*U)/2

Так как работа идет на увеличение энергии Wэл заряженного конденсатора, то Wэл = A =>

Wэл = (q*U)/2

Wэл = (С*U^2)/2

Опыт Милликена.

РИСУНОК

Опыт Милликена позволяет измерить величину электрического заряда (электрона).

В однородное поле плоского конденсатора, расположенного горизонтально, вводится маленькая капля масла с известной массой m. Так как для плоского конденсатора справедлива формула E = U/d, то можно вычислить E.

Изменяя U можно создавать нужную E. Капля заряжается с помощью ионизации молекул излучением и подбирается такое значение E, при котором капля неподвижно висит между пластинами. Следовательно:

Fэл = Fm или q*E = m*g

(q*U)/d = m*g =>

q = (m*g*d)/U

Подставив все величины в формулу находится q.

Заряд капли во всех опытах можно считать целым кратным одного и того же числа, которое называется элементарным зарядом.

е = –1,602*10^-19 Кл

Электрический ток в металлах.

Подвижные носители зарядов.

Когда проводник помещают в электрическое поле подвижные носители зарядов в проводнике перемещаются над действием поля, что приводит к выравниванию потенциалов всех точек проводника. Однако, если у двух точек проводника каким–то образом искусственно поддерживать разные потенциалы, то внутри проводника будет существовать поле. Это поле будет создавать непрерывное движение зарядов. Положительные заряды при этом движутся от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом, а отрицательные – наоборот.

Направление движения заряженных частиц под действием сил электрического поля называется электрическим током.

При движении в вакууме свободные носители зарядов не встречают никакого противодействия и приобретают кинетическую энергию за счет работы сил электрического поля.

Когда ток проходит в веществе, движущиеся заряды встречают противодействующие, поскольку взаимодействуют с другими зарядами и частицами, входящими в состав вещества.

При этом увеличивается интенсивность хаотического движения частиц вещества, то есть происходит нагревание вещества.