Кристаллические диэлектрики это кратко
Обновлено: 05.07.2024
Диэлектрики — это вещество, которое не проводит, или плохо проводит электрический ток. Носители заряда в диэлектрике имеют плотность не больше 108 штук на кубический сантиметр. Одним из основных свойств таких материалов является способность поляризации в электрическом поле.
Параметр, характеризующий диэлектрики, называется диэлектрической проницаемостью, которая может иметь дисперсию. К диэлектрикам можно отнести химически чистую воду, воздух, пластмассы, смолы, стекло, различные газы.
Свойства диэлектриков
Если бы вещества имели свою геральдику, то герб сегнетовой соли непременно украсили бы виноградные лозы, петля гистерезиса, и символика многих отраслей современной науки и техники.
Родословная сегнетовой соли начинается с 1672 года. Когда французский аптекарь Пьер Сегнет впервые получил с виноградных лоз бесцветные кристаллы и использовал их в медицинских целях.
Тогда еще невозможно было предположить, что эти кристаллы обладают удивительными свойствами. Эти свойства дали нам право из огромного числа диэлектриков выделить особые группы:
- Пьезоэлектрики.
- Пироэлектрики.
- Сегнетоэлектрики.
Со времен Фарадея известно, что во внешнем электрическом поле диэлектрические материалы поляризуются. При этом каждая элементарная ячейка обладает электрическим моментом, аналогичным электрическому диполю. А суммарный дипольный момент единицы объема определяет вектор поляризации.
В обычных диэлектриках поляризация однозначно и линейно зависит от величины внешнего электрического поля. Поэтому диэлектрическая восприимчивость почти у всех диэлектриков величина постоянная.
P/E=X=const
Кристаллические решетки большинства диэлектриков построены из положительных и отрицательных ионов. Из кристаллических веществ наиболее высокой симметрией обладают кристаллы с кубической решеткой. Под действием внешнего электрического поля кристалл поляризуется, и симметрия его понижается. Когда внешнее поле исчезает, кристалл восстанавливает свою симметрию.
В некоторых кристаллах электрическая поляризация может возникать и при отсутствии внешнего поля, спонтанно. Так выглядит в поляризованном свете кристалл молибдената гадолиния. Обычно спонтанная поляризация неоднородная. Кристалл разбивается на домены – области с однородной поляризацией. Развитие многодоменной структуры уменьшает суммарную поляризацию.
Пироэлектрики
В пироэлектриках спонтанная поляризация экранирует со свободными зарядами, которые компенсируют связанные заряды. Нагревание пироэлектрика изменяет его поляризацию. При температуре плавления пироэлектрические свойства исчезают вовсе.
Часть пироэлектриков относится к сегнетоэлектрикам. У них направление поляризации может быть изменено внешним электрическим полем.
Существует гистерезисная зависимость между ориентацией поляризации сегнетоэлектрика и величиной внешнего поля.
В достаточно слабых полях поляризация линейно зависит от величины поля. При его дальнейшем увеличении все домены ориентируются по направлению поля, переходя в режим насыщения. При уменьшении поля до нуля кристалл остается поляризованным. Отрезок СО называют остаточной поляризацией.
Поле, при котором происходит изменение направления поляризации, отрезок ДО называют коэрцитивной силой.
Наконец, кристалл полностью меняет направление поляризации. При очередном изменении поля кривая поляризации замыкается.
Однако, сегнетоэлектрическое состояние кристалла существует лишь в определенной области температур. В частности, сегнетова соль имеет две точки Кюри: -18 и +24 градусов, в которых происходят фазовые переходы второго рода.
Группы сегнетоэлектриков
Микроскопическая теория фазовых переходов разделяет сегнетоэлектрики на две группы.
Первая группа
Титанат бария относится к первой группе, и как ее еще называют, группе сегнетоэлектриков типа смещения. В неполярном состоянии титанат бария имеет кубическую симметрию.
При фазовом переходе в полярное состояние ионные подрешетки смещаются, симметрия кристаллической структуры понижается.
Вторая группа
Ко второй группе относят кристаллы типа нитрата натрия, у которых в неполярной фазе имеется разупорядоченная подрешетка структурных элементов. Здесь фазовый переход в полярное состояние связан с упорядочением структуры кристалла.
Причем в различных кристаллах может быть два или несколько вероятных положений равновесия. Существуют кристаллы, в которых цепочки диполя имеют антипараллельные ориентации. Суммарный дипольный момент таких кристаллов равен нулю. Такие кристаллы называют антисегнетоэлектриками.
В них зависимость поляризации линейная, вплоть до критического значения поля.
Дальнейшее увеличение величины поля сопровождается переходом в сегнетоэлектрическую фазу.
Третья группа
Существует еще одна группа кристаллов – сегнетиэлектриков.
Ориентация дипольных моментов у них такова, что по одному направлению они имеют свойства антисегнетоэлектриков, а по-другому сегнетоэлектриков. Фазовые переходы у сегнетоэлектриков бывают двух родов.
При фазовом переходе второго рода в точке Кюри спонтанная поляризация плавно уменьшается до нуля, а диэлектрическая восприимчивость, меняясь резко, достигает огромных величин.
При фазовом переходе первого рода поляризация исчезает скачком. Также скачком изменяется электрическая восприимчивость.
Большая величина диэлектрической проницаемости, электрополяризации сегнетоэлектриков, делает их перспективными материалами современной техники. Например, уже широко используют нелинейные свойства прозрачной сегнетокерамики. Чем ярче свет, тем сильнее он поглощается специальными очками.
Это является эффективной защитой зрения рабочих в некоторых производствах, связанных с внезапными и интенсивными вспышками света. Для передачи информации с помощью лазерного луча применяют сегнетоэлектрические кристаллы с электрооптическим эффектом. В пределах прямой видимости лазерный луч моделируется в кристалле. Затем луч попадает в комплекс приемной аппаратуры, где информация выделяется и воспроизводится.
Пьезоэлектрический эффект
В 1880 году братья Кюри обнаружили, что в процессе деформации сегнетовой соли на ее поверхности возникают поляризационные заряды. Это явление было названо прямым пьезоэлектрическим эффектом.
Если на кристалл воздействовать внешним электрическим полем, он начинает деформироваться, то есть, возникает обратный пьезоэлектрический эффект.
Однако эти изменения не наблюдаются в кристаллах, имеющих центр симметрии, например, в сульфиде свинца.
Если на такой кристалл воздействовать внешним электрическим полем, подрешетки отрицательных и положительных ионов сместятся в противоположные стороны. Это приводит к поляризации кристаллов.
В данном случае мы наблюдаем электрострикцию, при которой деформация пропорциональна квадрату электрического поля. Поэтому электрострикцию относят к классу четных эффектов.
ΔX1=ΔX2
Если такой кристалл растягивать или сжимать, то электрические моменты положительных диполей будут равны по величине электрическим моментам отрицательных диполей. То есть, изменение поляризации диэлектрика не происходит, и пьезоэффект не возникает.
В кристаллах с низкой симметрией при деформации появляются дополнительные силы обратного пьезоэффекта, противодействующие внешним воздействиям.
Таким образом, в кристалле, у которого нет центра симметрии в распределении зарядов, величина и направление вектора смещения зависит от величины и направления внешнего поля.
Благодаря этому можно осуществлять различные типы деформации пьезокристаллов. Склеивая пьезоэлектрические пластинки, можно получить элемент, работающий на сжатие.
В этой конструкции пьезопластинка работает на изгиб.
Пьезокерамика
Если к такому пьезоэлементу приложить переменное поле, в нем возбудятся упругие колебания и возникнут акустические волны. Для изготовления пьезоэлектрических изделий применяют пьезокерамику. Она представляет собой поликристаллы сегнетоэлектрических соединений или твердые растворы на их основе. Изменяя состав компонентов и геометрические формы керамики, можно управлять ее пьезоэлектрическими параметрами.
Прямые и обратные пьезоэлектрические эффекты находят применение в разнообразной электронной аппаратуре. Многие узлы электроакустической, радиоэлектронной и измерительной аппаратуры: волноводы, резонаторы, умножители частоты, микросхемы, фильтры работают, используя свойства пьезокерамики.
Пьезоэлектрические двигатели
Активным элементом пьезоэлектрического двигателя служит пьезоэлемент.
В течение одного периода колебаний источника переменного электрического поля он растягивается и взаимодействует с ротором, а в другом возвращается в исходное положение.
Великолепные электрические и механические характеристики позволяют пьезодвигателю успешно конкурировать с обычными электрическими микромашинами.
Пьезоэлектрические трансформаторы
Принцип их действия также основан на использовании свойств пьезокерамики. Под действием входного напряжения в возбудителе возникает обратный пьезоэффект.
Волна деформации передается в генераторную секцию, где за счет прямого пьезоэффекта изменяется поляризация диэлектрика, что приводит к изменению выходного напряжения.
Так как в пьезотрансформаторе вход и выход гальванически развязаны, то функциональные возможности преобразования входного сигнала по напряжению и току, согласование его с нагрузкой по входу и выходу, лучше, чем у обычных трансформаторов.
Исследования разнообразных явлений сегнетоэлектричества и пьезоэлектричества продолжаются. Нет сомнений, что в будущем появятся приборы, основанные на новых и удивительных физических эффектах в твердом теле.
Классификация диэлектриков
В зависимости от различных факторов они по-разному проявляют свои свойства изоляции, которые определяют их сферу использования. На приведенной схеме показана структура классификации диэлектриков.
В народном хозяйстве стали популярными диэлектрики, состоящие из неорганических и органических элементов.
Неорганические материалы – это соединения углерода с различными элементами. Углерод обладает высокой способностью к химическим соединениям.
Минеральные диэлектрики
Такой вид диэлектриков появился с развитием электротехнической промышленности. Технология производства минеральных диэлектриков и их видов значительно усовершенствована. Поэтому такие материалы уже вытесняют химические и натуральные диэлектрики.
К минеральным диэлектрическим материалам относятся:
- Стекло (конденсаторы, лампы) – аморфный материал, состоит из системы сложных окислов: кремния, кальция, алюминия. Они улучшают диэлектрические качества материала.
- Стеклоэмаль – наносится на металлическую поверхность.
- Стекловолокно – нити из стекла, из которых получают стеклоткани.
- Световоды – светопроводящее стекловолокно, жгут из волокон.
- Ситаллы – кристаллические силикаты.
- Керамика – фарфор, стеатит.
- Слюда – микалекс, слюдопласт, миканит.
- Асбест – минералы с волокнистым строением.
Разнообразные диэлектрики не всегда заменяют друг друга. Их сфера применения зависит от стоимости, удобства применения, свойств. Кроме изоляционных свойств, к диэлектрикам предъявляются тепловые, механические требования.
Жидкие диэлектрики
Нефтяные масла
Трансформаторное масло заливается в силовые виды трансформаторов. Оно наиболее популярно в электротехнике.
Кабельные масла применяются при изготовлении электрических кабелей. Ими пропитывают бумажную изоляцию кабелей. Это повышает электрическую прочность и отводит тепло.
Синтетические жидкие диэлектрики
Для пропитки конденсаторов необходим жидкий диэлектрик для увеличения емкости. Такими веществами являются жидкие диэлектрики на синтетической основе, которые превосходят нефтяные масла.
Хлорированные углеводороды образуются из углеводородов заменой в них молекул атомов водорода атомами хлора. Большую популярность имеют полярные продукты дифенила, в состав которых входит С12 Н10-nC Ln.
Их преимуществом является стойкость к горению. Из недостатков можно отметить их токсичность. Вязкость хлорированных дифенилов имеет высокий показатель, поэтому их приходится разбавлять мене вязкими углеводородами.
Кремнийорганические жидкости обладают низкой гигроскопичностью и высокой температурной стойкостью. Их вязкость очень мало зависит от температуры. Такие жидкости имеют высокую стоимость.
Фторорганические жидкости имеют аналогичные свойства. Некоторые образцы жидкости могут долго работать при 2000 градусов. Такие жидкости в виде октола состоят из смеси полимеров изобутилена, получаемых из продуктов газа крекинга нефти, имеют невысокую стоимость.
Природные смолы
Канифоль – это смола, имеющая повышенную хрупкость, и получаемая из живицы (смола сосны). Канифоль состоит из органических кислот, легко растворяется в нефтяных маслах при нагревании, а также в других углеводородах, спирте и скипидаре.
Температура размягчения канифоли равна 50-700 градусов. На открытом воздухе канифоль окисляется, быстрее размягчается, и хуже растворяется. Растворенная канифоль в нефтяном масле используется для пропитки кабелей.
Растительные масла
Эти масла представляют собой вязкие жидкости, которые получены из различных семян растений. Наиболее важное значение имеют высыхающие масла, которые могут при нагревании отвердевать. Тонкий слой масла на поверхности материала при высыхании образует твердую прочную электроизоляционную пленку.
Скорость высыхания масла повышается при возрастании температуры, освещении, при использовании катализаторов – сиккативов (соединения кобальта, кальция, свинца).
Льняное масло имеет золотисто-желтый цвет. Его получают из семян льна. Температура застывания льняного масла составляет -200 градусов.
Тунговое масло изготавливают из семян тунгового дерева. Такое дерево растет на Дальнем Востоке, а также на Кавказе. Это масло не токсично, но не является пищевым. Тунговое масло застывает при температуре 0-50 градусов. Такие масла используются в электротехнике для производства лаков, лакотканей, пропитки дерева, а также в качестве жидких диэлектриков.
Касторовое масло используется для пропитки конденсаторов с бумажным диэлектриком. Получают такое масло из семян клещевины. Застывает оно при температуре -10 -180 градусов. Касторовое масло легко растворяется в этиловом спирте, но нерастворимо в бензине.
Кристаллические диэлектрики могут быть электрически анизотропными. В этом случае yv величина тензорная, а векторы Р и Е коллинеарны лишь для некоторых определенных направлений поля в данном кристалле. [1]
Кристаллические диэлектрики могут быть электрически анизотропными. В этом случае х - величина тензорная, а векторы Р и Е коллинеарны лишь для некоторых определенных направлений поля в данном кристалле. [2]
Для кристаллических диэлектриков , у которых проводимость при некоторой температуре, начинает определяться ионами обоих знаков, в графике зависимости удельного1 объемиого сопротивления от температуры обычно наблюдается характерный излом. [4]
У кристаллических диэлектриков в сильных полях может наблюдаться значительная электронная проводимость. Это связано с тем, что сильное поле уменьшает потенциальный барьер, который преодолевает электрон при термической ионизации. [5]
Теплопроводность кристаллических диэлектриков была впервые рассмотрена Дебаем [1], указавшим на то, что кристаллическая решетка будет обладать бесконечной теплопроводностью, ели ее атомы связаны с положениями равновесия квазиупругими силами. Это хорошо известное обстоятельство получается непосредственно при рассмотрении собственных колебаний гармонической модели кристалла. Важный дальнейший шаг был сделан Пайерлсом 12 ], который подверг вопрос последовательйому квантово-механи-чвскому рассмотрению. Пайерлсом было выяснено отличие в поведении дискретной решетки и континуума ( см., впрочем 13 и 4 ]) и указано то свойство дискретной решетки, которое приводит к конечной теплопроводности при взаимодействии фононов в отличие от бесконечной теплопроводности в случае континуума. [6]
Поляризация кристаллического диэлектрика может происходить не только под действием электрического поля, но в случае некоторых кристаллов ( из числа не имеющих центра симметрии) поляризация может быть вызвана механическим, а также и термическим воздействием. [7]
В кристаллических диэлектриках при нарушении нормальной структуры кристаллической решетки иногда даже ничтожными количествами примесей может быть вызвано появление местной неплотности упаковки, приводящей к резкому увеличению tg б за счет появления ионно-релак-сационной поляризации. [8]
В кристаллических диэлектриках при импульсных пробоях такие заживления обычно не наблюдаются. На рис. 2 - 31 приведена иллюстрация зависимости пробивного напряжения твердых диэлектриков от числа импульсных ударов. [10]
В кристаллических диэлектриках в связи с особенностями их структуры также имеются направления, в которых пробой развивается наиболее легко. [11]
В кристаллических диэлектриках , где ионы разного знака расположены упорядоченно, поляризация может существовать и в отсутствие электрического поля, например при деформации - пъезоэлектрики, при повышении температуры - пироэлектрики. Разновидностью пироэлектриков являются сегнетоэлектрши ( титанат бария, сегнетова соль и др.), в которых поляризация может существенно изменяться как по величине, так и по знаку, например при понижении температуры. [12]
В кристаллических диэлектриках , имеющих кубические ионные кристаллические решетки ( например, NaCl, CsCl), под действием электрического поля все положительные ионы смещаются в направлении напряженности Е, а все отрицательные ионы - в противоположном направлении. Такой вид поляризации называется ионной поляризацией. [13]
В кристаллических диэлектриках , имеющих ионное строение, наблюдается еще и третий тип поляризации. Под влиянием внешнего поля положительные ионы диэлектрика смещаются по направлению вектора напряженности, а отрицательные ионы - в обратную сторону. Такое явление называется ионно-й поляризацией диэлектрика. [14]
Диэлектриками называют вещества, не обладающие способностью проводить электрический ток.
Стоит отметить, что данное определение лишь приблизительно выражает физический смысл приведенного понятия.
Абсолютных изоляторов, то есть веществ, которые совсем не проводят ток, в природе не существует. Диэлектрики по сравнению с проводниками в 1015 − 1020 раз хуже проводят ток. Данный факт основывается на том, что в диэлектриках отсутствуют свободные заряды.
Что такое диэлектрики и их примеры
Если диэлектрик поместить в электрическое поле, то, как диэлектрик, так и само поле значительно изменятся. В диэлектриках, в которых до контакта с полем не было заряда, возникают электрические заряды. Это явление объясняется процессом поляризации вещества, другими словами, в поле диэлектрик обретает электрические полюсы. Возникающие при этом заряды называются поляризационными.
Разделить такие заряды невозможно, чем они существенно отличаются от индукционных зарядов в проводниках. Данное отличие основывается на том факте, что в металлах присутствуют электроны, имеющие возможность перемещаться на относительно большие расстояния. В диэлектриках положительные и отрицательные заряды связаны между собой, и их перемещение ограничено пределами одной молекулы, что является крайне малым расстоянием.
Действие электрического поля на заряды, принадлежащие диэлектрику, провоцирует лишь легкое смещение относительно изначального положения, тогда как заряды проводников, испытывающие такое же влияние, срываются с места. В условиях отсутствующего электрического поля диэлектрик может быть условно представлен в виде совокупности молекул, в каждой из которых положительные и отрицательные заряды равные по величине распределены по всему объему вещества.
В процессе поляризации заряды каждой отдельной молекулы диэлектрика смещаются в противоположные ее стороны. Соответственно, одна часть молекулы становиться положительно заряженной, а другой - отрицательно, что, в общем, дает возможность заявить: молекула превращается в электрический диполь.
Равнодействующая электрических сил, в однородном поле оказывающих влияние на нейтральную молекулу диэлектрика, эквивалентна нулю. Этот факт основывается на том, что центр тяжести молекулы не передвигается ни в одну из сторон. Молекула просто претерпевает деформирование.
Существуют такие диэлектрики, в которых в условиях отсутствующего электрического поля молекулы имеют дипольный момент (полярные молекулы).
В случае, когда поле отсутствует, такие молекулы, принимающие непосредственное участие в тепловом движении, ориентированы беспорядочно. Если же диэлектрик находится в поле, молекулы, в основном, ориентируются по его направлению. Соответственно, диэлектрик проходит процесс поляризации.
У симметричных молекул, таких как, к примеру, O 2 , N 2 , в отсутствие поля центры тяжести отрицательных и положительных зарядов одинаковы. По этой причине собственного дипольного момента у молекул нет (неполярные молекулы). У несимметричных же молекул (возьмем в качестве примера H 2 O , C O ) центры тяжести сдвинуты друг относительно друга, в результате чего молекулы имеют дипольный момент и носят название полярных.
Также существуют диэлектрические или же ионные кристаллы, которые формируются при помощи ионов с противоположным знаком. Такой кристалл состоит из пары “вдвинутых” друг в друга кристаллических решеток, одна из которых является положительной, а вторая - отрицательной. В целом кристалл условно можно принять за подобие гигантской молекулы. Процесс наложения электрического поля провоцирует сдвиг одной решеток относительно друг друга, вследствие чего и происходит поляризация ионных кристаллов. Существует также тип поляризованных без участия поля кристаллов. При дальнейшем исследовании поведения диэлектриков в электрических полях механизм возникновения поляризации значения иметь не будет. Существенным фактом является только то, что поляризация диэлектрика происходит через появление некомпенсированных макроскопических зарядов. Значения объемной плотность зарядов ( ρ ) и поверхностной плотности ( σ ) неполяризованного диэлектрика равняются нулю. После же процесса поляризации σ ≠ 0 , а в некоторых случаях и ρ ≠ 0 . Поляризация приводит к появлению в тонком поверхностном слое диэлектрика избытка связанных зарядов с одним знаком. В том случае, если ортогональная или же перпендикулярная часть напряженности поля E n → ≠ 0 на приведенном участке, то в результате влияния поля заряды с одним знаком уходят внутрь, а с другим, наоборот, выходят наружу.
Вектор поляризации диэлектрика
Поляризованность P → или, другими словами, вектор поляризованности характеризует степень поляризации диэлектрика:
где ∆ ρ представляет собой дипольный момент элемента диэлектрика.
В условиях неполярных молекул вектор поляризованности может быть определен в следующем виде:
P → = 1 ∆ V ∑ ∆ V ρ i → = N ρ 0 → ,
где сложение идет относительно всех молекул в объеме △ V . N - концентрация молекул,
ρ 0 → является индуцированным дипольным моментом (Он один и тот же у всех молекул). ρ 0 → ↑ ↑ E → .
Формула поляризованности в условиях полярных молекул принимает вид следующего выражения:
P → = 1 ∆ V ∑ ∆ V ρ i → = N p → ,
в котором P → представляет собой среднее значение дипольных моментов, которые равнозначны по модулю, но обладают разными направлениями.
В изотропных диэлектриках средние дипольные моменты по направлению идентичны напряженности внешнего электрического поля. У диэлектриков с молекулами полярного типа, вклад в поляризованность от наведенных зарядов значительно ниже вклада от переориентации поля.
Ионная решеточная поляризации может быть описана следующей формулой: P → = 1 ∆ V ∑ ∆ V ρ i → = N p → .
В большей части случаев подобная поляризация является анизотропной.
Если представить плоский конденсатор, который заполнен диэлектриком так, как это проиллюстрировано на рисунке 1 , то на принадлежащей ему левой обкладке расположен положительный заряд, а на правой - отрицательный. По причине того факта, что разноименные заряды притягиваются друг к другу, у положительной обкладки на поверхности диэлектрика появится отрицательный заряд, а у правой, то есть отрицательной – положительный заряд диэлектрика. Выходит, что поле, формирующееся поляризационными зарядами, имеет противоположное направлению поля направление, которое создают обкладки, соответственно, диэлектрик ослабляет поле.
+ q , − q представляют собой заряды на обкладках конденсатора.
E → является напряженностью поля, которое формируется обкладками конденсатора.
− q ′ , + q ′ - это заряды диэлектрика.
E → ' - напряженность поля, которое создается как результат поляризации диэлектрика.
Явление влияния вещества на магнитное и электрическое поля было эмпирическим путем открыто Фарадеем. Именно этим ученым было в науку были введены такие термины, как диэлектрик и диэлектрическая постоянная.
В случае если однородный изотропный диэлектрик полностью заполняет собой объем, ограниченный эквипотенциальными поверхностями поля сторонних зарядов, то напряженность поля внутри него в ε раз меньше напряженности поля сторонних зарядов.
где ε определяет диэлектрическую проницаемость среды.
Напряженность поля точечного заряда, который расположен в диэлектрике с некоторой диэлектрической проницаемостью ε, может быть выражена в виде следующего выражения:
E → = 1 4 π ε ε 0 q r 3 r → .
Закон Кулона для зарядов, находящихся в жидком и газообразном диэлектрике принимает такой вид:
F → = 1 4 π ε ε 0 q 1 q 2 r 3 r → .
Задание: Бесконечную плоскую пластину из однородного изотропного диэлектрика разместили в однородном электростатическом поле с напряженностью E = 200 В м , направленной под прямым углом силовым линиям поля. Диэлектрическая проницаемость диэлектрика равняется 2 . Какова напряженность поля внутри диэлектрика?
Решение
Поле в вакууме в ε раз сильнее, чем поле в диэлектрике, по этой причине запишем, что:
Произведем некоторые расчеты:
E → ' = 200 2 = 100 В м .
Ответ: Напряженность поля в пластине будет 100 В м .
Задание: Заряженные шарики обладают массой m 1 = m 2 = m . Они подвешены на нитях, имеющих одинаковые значения длины, в одной точке, их заряды эквивалентны q 1 и q 2 ( смотри рисунок 1 ). Изначально они располагаются в воздухе (диэлектрическая проницаемость ε 1 ), после этого погружаются в жидкость ε 2 . Каково отношение диэлектрических проницаемостей ε 2 ε 1 , если при погружении в жидкость системы из шариков угол расхождения нитей не претерпел изменений? Отношение плотности шариков к плотности диэлектрика ρ s h ρ d = b .
Решение
Запишем условие равновесия шарика в симметричной системе в воздухе:
F e 1 → + m g → + N 1 → = 0 .
Теперь выразим условие равновесия одного шарика в жидкости:
F e 2 → + m g → + N 2 → + F A → = 0 .
Запишем проекции уравнения F e 1 → + m g → + N 1 → = 0 на оси:
О х : F e 1 - N 1 sin a 2 = 0 ,
O y : m g - N 1 cos α 2 = 0 .
Проекции уравнения F e 2 → + m g → + N 2 → + F A → = 0 на оси:
О х : F e 2 - N 2 sin α 2 = 0 ,
O y : m g - N 2 cos α 2 - F A = 0 .
Берем отношение уравнения F e 1 - N 1 sin a 2 = 0 и m g - N 1 cos a 2 = 0 , в качестве результата получаем:
t g a 2 = F e 1 m g .
Уравнение F e 2 - N 2 sin a 2 = 0 на уравнение m g - N 2 cos a 2 - F A = 0 , получаем:
t g a 2 = F e 2 m g - F A → F e 1 m g = F e 2 m g - F A .
Основываясь на законе Кулона, запишем такое выражения для F e 1 , F e 2 :
F e 1 = q 1 q 2 4 π ε 1 ε 0 r 2 и F e 2 = q 1 q 2 4 π ε 2 ε 0 r 2 .
Модуль силы Архимеда равняется следующему выражению:
F A = ρ d V g = ρ d m ρ s h g .
Подставим в уравнение t g a 2 = F e 2 m g - F A → F e 1 m g = F e 2 m g - F A уравнения F e 1 = q 1 q 2 4 π ε 1 ε 0 r 2 и
F e 2 = q 1 q 2 4 π ε 2 ε 0 r 2 , в результате получим:
q 1 q 2 4 πε 1 ε 0 r 2 m g = q 1 q 2 4 πε 2 ε 0 r 2 m g - ρ d m ρ s h g → 1 ε 1 1 = 1 ε 2 1 - ρ d ρ s h → ε 2 ε 1 = 1 1 - ρ d ρ s h = 1 1 - b .
Ответ: Диэлектрическая проницаемость жидкости должна быть ε 2 e 1 = 1 1 - b .
В 1729 г. английский физик Стефан Грей обнаружил, что электрический заряд может перемещаться по одним телам и не перемещаться по другим. Например, по металлической проволоке электричество в его опытах распространялось, а по шелковой нити нет. С тех пор все вещества стали делиться на проводники и непроводники электричества. Последние были названы Фарадеем диэлектриками.
Диэлектриком называют вещество, которое не проводит электрический ток, следовательно в это веществе отсутствуют свободные заряженные частицы (т.е. таких заряженных частиц, которые способны свободно перемещаться по всему объёму тела). Такими частицами могли бы быть электроны, но в идеальном диэлектрике все электроны связаны с ядром атома, т.е. принадлежат отдельным атомам, и свободно перемещаться по телу не могут. Чтобы нарушить эту связь, нужны сильные воздействующие факторы.
Диэлектрики обладают способностью пропускать через себя электростатическое поле. Проникая через диэлектрики электростатическое поле ослабевает, но всё-таки не до нуля, как это происходит в металлах.
Диэлектриками могут быть вещества в трёх агрегатных состояниях: газообразном (азот, водород), жидком (чистая вода), твёрдом (янтарь, фарфор, кварц).
Все диэлектрики делятся на три группы: полярные, неполярные и кристаллические.
Кристаллические диэлектрики имеют ионную структуру, - это слабополярные диэлектрики. К ним относятся NaCl, KCl.
При помещении диэлектрика в электрическое поле в его объёме и на поверхности появляются макроскопические заряды. Указанные заряды возникают в результате поляризации диэлектриков.
Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей, т.е. смещение положительных и отрицательных зарядов внутри диэлектрика в противоположные стороны.
Трём группам диэлектриков соответствует три вида поляризации.
Дипольная (ориентационная) поляризация. При отсутствии внешнего поля дипольные моменты полярных молекул вследствие теплового движения ориентированы в пространстве хаотично и их результирующий момент равен нулю (рис.12.22, а) . Если такой диэлектрик поместить во внешнее поле (рис.12.22, б) , то силы этого поля будут стремится повернуть диполи вдоль поля и возникает отличный от нуля результирующий момент. Эта ориентация дипольных моментов молекул по полю тем сильнее, чем больше напряжённость электрического поля и ниже температура.
Электронная поляризация. Если неполярную молекулу поместить во внешнее электрическое поле Е0, то под действием электрического поля происходит деформация её электронных орбит и молекулы диэлектрика превращаются в диполи, сразу ориентированные вдоль внешнего поля (ядра молекулы при этом смещаются по полю, а электронная оболочка вытягивается против поля и молекула приобретает дипольный момент
Ионная поляризация. Если кристаллический диэлектрик (NaCl) имеющий кристаллическую решётку, в узлах которой правильно чередуются положительные и отрицательные ионы, поместить во внешнее электрическое поле Е0, то произойдёт смещение положительных ионов решётки вдоль направления поля, а отрицательных ионов – в противоположную сторону. В результате диэлектрик поляризуется.
Такого рода поляризация называется ионной. Степень ионной поляризации зависит от свойств диэлектрика и от напряжённости поля.
Это такие вещества, в которых нет свободных зарядов. Заряженные частицы не могут двигаться по всему объему тела. Они способны только смещаться на небольшие расстояния относительно своих равновесных состояний. Не проводят электрический ток.
Диэлектрики бывают: полярными, неполярными, кристаллическими.
У полярных диэлектриков молекула такая, что ее ядро и электроны находятся друг от друга на некотором расстоянии, то есть сдвинуты положительный и отрицательный центры. Поэтому молекулу называют электрическим диполем. К полярным диэлектрикам относятся дистиллированная вода, спирт.
У неполярных диэлектриков молекула симметричная. Вещества: парафин, бензол, азот и др.
К кристаллическим диэлектрикам относятся такие вещества, у которых кристаллическую решетку можно рассматривать как две подрешетки - с положительными и отрицательными ионами.
Проводники
Это вещества, в которых есть свободные заряженные частицы (электроны, положительные ионы и отрицательные ионы), способные перемещаться по всему объему вещества. Это металлы, растворы солей, кислот и щелочей и др. Эти вещества проводят электрический ток.
Вещества в электрическом поле
При помещении в электростатическое поле полярного диэлектрика, диполи переориентировываются таким образом, что вектор напряженности E' внутреннего поля направлен в противоположную сторону относительно вектора напряженности внешнего поля E0.
Поляризация приводит к ослаблению внешнего электрического поля в раз, где - диэлектрическая проницаемость
Аналогичным образом ведут себя кристаллические диэлектрики.
При помещении во внешнее поле неполярного диэлектрика у нейтральных молекул деформируются электронные облака, происходит электронная поляризация.
При помещении проводника все свободные заряды одного знака устремляются в одну сторону, заряды противоположного знака в противоположную сторону, это явление называется электростатической индукцией. Внутреннее поле, которое при этом образуется внутри проводника "гасит" внешнее поле.
Так как свободные заряды концентрируются по краям, а не во всем объеме вещества, как у диэлектриков, то внутри проводника отсутствует электростатическое поле. Напряженность внутри проводника равна нулю. Использование этого свойства называется электростатической защитой. Помещенные внутрь проводника тела не будут испытывать действие внешнего электростатического поля, проводник как бы ограждает.
Проводящая сфера
Рассмотрим проводник сферической формы.
Заряды на поверхности распределяются так, что их плотность больше в точках поверхности, обладающей большей кривизной. По поверхности сферы заряд распределяется равномерно.
А что произойдет, если внутрь сферической оболочки поместить заряд? Индукционные заряды возникнут на ее внутренней поверхности. В этом случае внутри сферы поле будет.
Для равномерно заряженной сферой радиусом R и зарядом q на расстоянии r от центра сферы, справедливы формулы:
Заземление
Благодаря своим огромным размерам Земля действует как резервуар зарядов, принимая и отдавая электроны. Когда мы поднесем к заземленному металлическому предмету отрицательно заряженный стержень, свободные электроны в металле будут отталкиваться и уходить в Землю. Если отсоединить стержень от этого предмета, на металле останется избыточный положительный заряд. Так мы зарядим тело положительным зарядом.
Различные стадии зарядки тела: а) приближая к шарику электроскопа отрицательно заряженный сургуч, мы вызываем на стержне электроскопа положительный заряд, а на его листках — отрицательный заряд; б) не убирая сургуча с отрицательным зарядом, прикасаемся рукой к шарику электроскопа и отводим часть отрицательного заряда электроскопа через свое тело в землю; листки электроскопа спадают; в) убрав палец, а затем убрав сургуч, мы оставляем на электроскопе только положительный заряд, который распределяется между шариком и листками электроскопа.
Упражнения
К металлическому шару, установленному на электроскопе, одновременно прикасаются наэлектризованной эбонитовой палочкой и рукой. Затем отнимают сначала руку, а потом палочку. Какого знака заряд получит электроскоп?
В результате контакта эбонитовой палочки с шаром электроскоп получит небольшой отрицательный заряд, который через руку уйдет в землю. Так как эбонит – диэлектрик, то на остальных участках палочки, которые не контактировали с шаром, отрицательные заряды останутся неподвижными. Они зарядят электроскоп положительным зарядом.
Как известно, заряженный шарик притягивает бумажку. Как изменится сила притяжения, если окружить металлической сферой заряженный шарик? бумажку?
Внутрь полой сферы проводящей незаряженной сферы был помещен шарик с зарядом q, после чего сфера была на короткое время соединена с землей, и затем шарик удален из сферы. Какой заряд будет иметь сфера после этих операций? Где и как будет распределен этот заряд? Где и какое будет существовать электрическое поле?
Заряд q. Он будет распределен равномерно по внешней поверхности сферы. Внутри сферы напряженность поля будет равна нулю. Вне сферы будет существовать электрическое поле, подобное полю точечного заряда q, помещенного в центр сферы.
Имеется полая проводящая незаряженная сфера, внутрь которой помещен положительный заряженный шарик. Укажите: а) Где будет существовать электрическое поле? б) Будут ли появляться заряды на сфере? в) Будет ли меняться поле внутри и вне сферы, если перемещать шарик, если шарик оставить неподвижным, а снаружи к сфере поднести заряженное тело?
а) Поле будет существовать внутри и вне сферы; б) на внутренней поверхности появится отрицательный заряд, на внешней - положительный; в) в первом случае будет изменяться электрическое поле только внутри сферы, во втором - только вне сферы.
Читайте также: