Диэлектрики

Рис. 5.4.

Силовые линии прерываются на поверхности проводника и перпендикулярны ей.

Рис. 5.5.

Докажем это. Рассмотрим статический случай, когда заряды уже перераспределились в объеме проводника, и тока в проводнике нет.

Если силовые линии не перпендикулярны поверхности проводника, то существует тангенциальная составляющая , и под ее действием заряды начнут двигаться по проводнику, т. е. возникает ток, но мы рассматриваем статический случай, когда тока в проводнике нет, т. к. внутреннее и внешнее поля уравновешены. Возникает противоречие, значит, наше предположение о существовании тангенциальной составляющей неверно, т. е. силовые линии перпендикулярны поверхности проводника.

Поверхность проводника представляет собой эквипотенциальную поверхность:

Работа по перемещению зарядов по поверхности проводника равна нулю, т. к.

5.2. Диэлектрики

Диэлектрики – вещества, в которых отсутствуют свободные носители заряда. В диэлектриках существуют полярные и неполярные молекулы.

К полярным относятся молекулы, в которых имеются части с ярко выраженным сосредоточенным зарядом.

К неполярным относятся молекулы, в которых части с ярко выраженным сосредоточенным зарядом отсутствуют.

Воздействуя внешним электрическим полем, можно получить из неполярной молекулы полярную. Поляризуемость – свойство вещества, характеризующее способность превращения молекул из неполярных в полярные.

Два равных по модулю и разнесенных друг от друга разноименных заряда называют диполем. Расстояние между зарядами называется плечом диполя:

. (5.2)

Рис. 5.6.

На положительный заряд действует электрическая сила, направленная в сторону электрического поля. На отрицательный заряд действует сила, направленная в противоположную от электрического поля сторону. Длины векторов сил равны. Момент сил, действующий на полярную молекулу (электрический диполь), может быть вычислен по формуле:

(5.3)

Рассчитаем работу, совершенную при повороте полярной молекулы на угол (электрического диполя):

(5.4)

По закону сохранения и превращения энергии, совершенная работа идет на сообщение потенциальной энергии. Потенциальная энергия определяется формулой:

.

Процесс поворота, ориентации вдоль силового поля молекул во внешнем электростатическом поле называется ориентационной поляризацией.

Опыт 5.2. Диэлектрики в электрическом поле (рис. 5.7; рис. 5.8; рис. 5.9) [7]

Оборудование:

1. Демонстрационный плоский конденсатор.

2. Подвешенные на изолирующих нитях стеклянные палочки диаметром 5 мм и длиной 5-7 см.

3. Электрофорная машина.

4. Соединительные провода.

5. Штативы.

6. Электрометр с большим шаровым кондуктором.

7. Металлическая трубка прямоугольного сечения с подвешенным на изолирующей нити металлическим стерженьком в форме стрелки, размеры трубки 12х12х25 см.

8. Большой химический стакан с прикрепленным к его дну на изолирующей нити металлическим стерженьком в форме стрелки.

9. Изолирующая подставка.

Рис. 5.7.

Рис. 5.8.

Рис. 5.9.

Выводы: Диэлектрик в электрическом поле не остается электрически нейтральным – он поляризуется – палочки ведут себя как электрические диполи. Металл экранирует пространство от электростатического поля, диэлектрик – нет.

5.3. Векторы поляризации и электростатической индукции

Для количественного описания этого процесса используют вектор поляризации.

Вектором поляризации называется физическая величина, численно равная суммарному электрическому моменту всех молекул, заключенных в единицу объема.

Рис. 5.10.

Заряды внутри молекул диэлектрика называются связанными зарядами. Результирующее поле характеризуется вектором электростатической индукции и по принципу суперпозиции определяется как векторная сумма внешнего поля и поля связанных зарядов , т. е.

Для изотропных сред e — скаляр.

Для анизотропных сред e — тензор.

Опыт 5.3. Поляризация диэлектрика.

Цель работы: Изучение поляризации диэлектриков.

Оборудование:

1.  Лейденская банка

2.  Электростатическая машина

3.  Медная пластина

4.  Разрядник

Рис.5.11.

Ход работы.

1.  Демонстрация начинается со сборки лейденской банки. В металлический внешний цилиндр вставляется стеклянный диэлектрический цилиндр. Затем в него помещают внутренний металлический цилиндр с закрепленным в нем металлическим штоком. Собранная банка ставится на медную пластину, соединенную с одним из полюсов электростатической машины.

Рис.5.12.

2.  Банку заряжают через разрядник (рис 5.12): одним концом разрядника касаются свободного полюса машины, а другой подносят к штоку на небольшое расстояние. Затем показывают разряд банки, касаясь одним концом разрядника внешнего металлического электрода лейденской банки и поднося второй конец к штоку. Наблюдают искру, проскакивающую между разрядником и штоком, и слышим характерный звук электрического разряда.

3.  Повторно заряжают лейденскую банку. Затем полностью разбирают. На металлических электродах банки никого заряда практически не осталось. Их спокойно можно взять руками, соединить друг с другом и при этом никакого разряда не происходит.

4.  Затем банку собирают вновь. Подносят разрядник, касаясь им внешнего металлического цилиндра и приближая другой конец разрядника к штоку внутреннего металлического цилиндра. Снова наблюдается разряд.