Презентация по физике Электростатическое поле в диэлектрической среде. Поляризованность. Электрическое смещение.
- Главная
- Физика
- Презентация по физике Электростатическое поле в диэлектрической среде. Поляризованность. Электрическое смещение.
Содержание
- 2. Диэлектрик (как и всякое вещество) состоит из атомов и молекул. Так как положительный заряд всех ядер
- 3. Молекулы таких диэлектриков называются полярными. При отсутствии внешнего поля, однако, дипольные моменты полярных молекул вследствие теплового
- 4. Соответственно трем группам диэлектриков различают три вида поляризации: электронная, или деформационная, поляризация диэлектрика с неполярными молекулами,
- 5. При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле он поляризуется, т. е. приобретает отличный от нуля дипольный
- 6. Для установления количественных закономерностей поля в диэлектрике внесем в однородное внешнее электрическое поле Е0 (создается двумя
- 7. Поле Е'=σ'/ε0 (поле, созданное двумя бесконечными заряженными плоскостями; см. формулу ( )), поэтому (3) Определим поверхностную
- 8. называется диэлектрической проницаемостью среды. Сравнивая (5) и (6), видим, что ε показывает, во сколько раз поле
- 9. Результирующее поле в диэлектрике описывается вектором напряженности Е, и потому он зависит от свойств диэлектрика. Вектором
- 10. Если поместить проводник во внешнее электростатическое поле или его зарядить, то на заряды проводника будет действовать
- 11. Если проводнику сообщить некоторый заряд Q, то нескомпенсированные заряды располагаются только на поверхности проводника. Это следует
- 12. (9) или (10) где ε — диэлектрическая проницаемость среды, окружающей проводник. Таким образом, напряженность электростатического поля
- 13. Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией. Из рис. 3,
- 15. Скачать презентацию
Диэлектрик (как и всякое вещество) состоит из атомов и молекул. Так
Диэлектрик (как и всякое вещество) состоит из атомов и молекул. Так
( ).
Первую группу диэлектриков (N2, Н2, О2, СО2, СН4, ...) составляют вещества, молекулы которых имеют симметричное строение, т. е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают и, следовательно, дипольный момент молекулы р равен нулю. Молекулы таких диэлектриков называются неполярными. Под действием внешнего электрического поля заряды неполярных молекул смещаются в противоположные стороны (положительные по полю, отрицательные против поля) и молекула приобретает дипольный момент. Вторую группу диэлектриков (H2O, NН3, SO2, CO,...) составляют вещества, молекулы которых имеют асимметричное строение, т. е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Таким образом, эти молекулы в отсутствие внешнего электрического поля обладают дипольным моментом.
Молекулы таких диэлектриков называются полярными. При отсутствии внешнего поля, однако, дипольные
Молекулы таких диэлектриков называются полярными. При отсутствии внешнего поля, однако, дипольные
Третью группу диэлектриков (NaCl, KCl, КВr, ...) составляют вещества, молекулы которых имеют ионное строение. Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков. В этих кристаллах нельзя выделить отдельные молекулы, а рассматривать их можно как систему двух вдвинутых одна в другую ионных подрешеток. При наложении на ионный кристалл электрического поля происходит некоторая деформация кристаллической решетки или относительное смещение подрешеток, приводящее к возникновению дипольных моментов.
Таким образом, внесение всех трех групп диэлектриков во внешнее электрическое поле приводит к возникновению отличного от нуля результирующего электрического момента диэлектрика, или, иными словами, к поляризации диэлектрика. Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появления под воздействием внешнего электрического поля ориентированных по полю диполей.
Соответственно трем группам диэлектриков различают три вида поляризации:
электронная, или деформационная,
Соответственно трем группам диэлектриков различают три вида поляризации:
электронная, или деформационная,
ориентационная, или дипольная, поляризация диэлектрика с полярными молекулами, заключающаяся в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул по полю. Естественно, что тепловое движение препятствует полной ориентации молекул, но в результате совместного действия обоих факторов (электрическое поле и тепловое движение) возникает преимущественная ориентация дипольных моментов молекул по полю. Эта ориентация тем сильнее, чем больше напряженность электрического поля и ниже температура;
ионная поляризация диэлектриков с ионными кристаллическими решетками, заключающаяся в смещении подрешетки положительных ионов вдоль поля, а отрицательных — против поля, приводящем к возникновению дипольных моментов.
При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле он поляризуется, т.
При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле он поляризуется, т.
где рi — дипольный момент одной молекулы. Для количественного описания поляризации диэлектрика пользуются векторной величиной — поляризованностью, определяемой как дипольный момент единицы объема диэлектрика:
(1)
Из опыта следует, что для большого класса диэлектриков (за исключением сегнетоэлектриков, см. § 91) поляризованность Р линейно зависит от напряженности поля Е. Если диэлектрик изотропный и Е не слишком велико, то
(2)
где — диэлектрическая восприимчивость вещества, характеризующая свойства диэлектрика; – величина безразмерная; притом всегда > 0 и для большинства диэлектриков (твердых и жидких) составляет несколько единиц (хотя, например, для спирта ≈25, для воды =80).
Для установления количественных закономерностей поля в диэлектрике внесем в однородное
Для установления количественных закономерностей поля в диэлектрике внесем в однородное
Таким образом, появление связанных зарядов приводит к возникновению дополнительного электрического поля Е' (поля, создаваемого связанными зарядами), которое направлено против внешнего поля Е0 (поля, создаваемого свободными зарядами) и ослабляет его. Результирующее поле внутри диэлектрика
Поле Е'=σ'/ε0 (поле, созданное двумя бесконечными заряженными плоскостями; см. формулу
Поле Е'=σ'/ε0 (поле, созданное двумя бесконечными заряженными плоскостями; см. формулу
(3)
Определим поверхностную плотность связанных зарядов σ'. По (1), полный дипольный момент пластинки диэлектрика pV =PV = PSd, где S — площадь грани пластинки, d — ее толщина. С другой стороны, полный дипольный момент, согласно (80.3), равен произведению связанного заряда каждой грани Q' =σ' S на расстояние d между ними, т. е. рV = σ' Sd. Таким образом, PSd= σ' Sd, или
(4)
т. е. поверхностная плотность связанных зарядов σ' равна поляризованности Р. Подставив в (3) выражения (4) и (2), получим
откуда напряженность результирующего поля внутри диэлектрика равна
(5)
Рисунок 1.
Безразмерная величина
(6)
называется диэлектрической проницаемостью среды. Сравнивая (5) и (6), видим, что
называется диэлектрической проницаемостью среды. Сравнивая (5) и (6), видим, что
Напряженность электростатического поля, согласно (88.5), зависит от свойств среды: в однородной изотропной среде напряженность поля Е обратно пропорциональна ε. Вектор напряженности Е, переходя через границу диэлектриков, претерпевает скачкообразное изменение, создавая тем самым неудобства при расчетах электростатических полей. Поэтому оказалось необходимым помимо вектора напряженности характеризовать поле еще вектором электрического смещения, который для электрически изотропной среды, по определению, равен
(7)
Используя формулы (88.6) и (88.2), вектор электрического смещения можно выразить как
(8)
Единица электрического смещения — кулон на метр в квадрате (Кл/м2).
Рассмотрим, с чем можно связать вектор электрического смещения. Связанные заряды появляются в диэлектрике при наличии внешнего электростатического поля, создаваемого системой свободных электрических зарядов, т. е. в диэлектрике на электростатическое поле свободных зарядов накладывается дополнительное поле связанных зарядов.
Результирующее поле в диэлектрике описывается вектором напряженности Е, и
Результирующее поле в диэлектрике описывается вектором напряженности Е, и
Аналогично, как и поле Е, поле D изображается с помощью линий электрического смещения, направление и густота которых определяются точно так же, как и для линий напряженности (см. §79).
Линии вектора Е могут начинаться и заканчиваться на любых зарядах — свободных и связанных, в то время как линии вектора D — только на свободных зарядах. Через области поля, где находятся связанные заряды, линии вектора D проходят не прерываясь.
Для произвольной замкнутой поверхности S поток вектора D сквозь эту поверхность
где Dn — проекция вектора D на нормаль n к площадке dS.
Если поместить проводник во внешнее электростатическое поле или его зарядить,
Если поместить проводник во внешнее электростатическое поле или его зарядить,
Отсутствие поля внутри проводника означает, согласно (85.2), что потенциал во всех точках внутри проводника постоянен (ϕ = const), т. е. поверхность проводника в электростатическом поле является эквипотенциальной (см. § 85). Отсюда же следует, что вектор напряженности поля на внешней поверхности проводника направлен по нормали к каждой точке его поверхности. Если бы это было не так, то под действием касательной составляющей Е заряды начали бы по поверхности проводника перемещаться, что, в свою очередь, противоречило бы равновесному распределению зарядов.
Если проводнику сообщить некоторый заряд Q, то нескомпенсированные заряды
Если проводнику сообщить некоторый заряд Q, то нескомпенсированные заряды
так как во всех точках внутри поверхности D=0.
Найдем взаимосвязь между напряженностью Е поля вблизи поверхности заряженного проводника и поверхностной плотностью σ зарядов на его поверхности. Для этого применим теорему Гаусса к бесконечно малому цилиндру с основаниями ΔS, пересекающему границу проводник — диэлектрик. Ось цилиндра ориентирована вдоль вектора Е (рис. 2). Поток
вектора электрического смещения через внутреннюю часть
цилиндрической поверхности равен нулю, так как внутри
проводника Е1 (а следовательно, и D1) равен нулю, поэтому
поток вектора D сквозь замкнутую цилиндрическую
поверхность определяется только потоком сквозь наружное Рисунок 2 основание цилиндра. Согласно теореме Гаусса (89.3), этот
поток (DΔS) равен сумме зарядов (Q=σΔS), охватываемых поверхностью: DΔS=σΔS т.е.
(9)
или
(10)
где ε — диэлектрическая проницаемость среды, окружающей
(9)
или
(10)
где ε — диэлектрическая проницаемость среды, окружающей
Таким образом, напряженность электростатического поля у поверхности проводника определяется поверхностной плотностью зарядов. Можно показать, что соотношение (92.2) задает напряженность электростатического поля вблизи поверхности проводника любой формы.
Если во внешнее электростатическое поле внести нейтральный проводник, то свободные заряды (электроны, ионы) будут перемещаться: положительные — по полю, отрицательные — против поля (рис. 3, а). На
одном конце проводника будет скапливаться
избыток положительного заряда, на другом —
избыток отрицательного. Эти заряды называются
индуцированными. Процесс будет происходить до
Рисунок 3 тех пор, пока напряженность поля внутри проводника не станет равной нулю, а линии напряженности вне проводника — перпендикулярными его поверхности (рис. 3, б). Таким образом, нейтральный проводник, внесенный в электростатическое поле, разрывает часть линий напряженности; они заканчиваются на отрицательных индуцированных зарядах и вновь начинаются на положительных. Индуцированные заряды распределяются на внешней поверхности проводника.
Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике во внешнем электростатическом поле
Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике во внешнем электростатическом поле
Из рис. 3, б следует, что индуцированные заряды появляются на проводнике вследствие смещения их под действием поля, т. е. σ является поверхностной плотностью смещенных зарядов. По (92.1), электрическое смещение D вблизи проводника численно равно поверхностной плотности смещенных зарядов. Поэтому вектор D получил название вектора электрического смещения.
Так как в состоянии равновесия внутри проводника заряды отсутствуют, то создание внутри него полости не повлияет на конфигурацию расположения зарядов и тем самым на электростатическое поле. Следовательно, внутри полости поле будет отсутствовать. Если теперь этот проводник с полостью заземлить, то потенциал во всех точках полости будет нулевым, т. е. полость полностью изолирована от влияния внешних электростатических полей. На этом основана электростатическая защита — экранирование тел, например измерительных приборов, от влияния внешних электростатических полей. Вместо сплошного проводника для защиты может быть использована густая металлическая сетка, которая, кстати, является эффективной при наличии не только постоянных, но и переменных электрических полей.