Вера Максимова
Электричество и магнетизм

Полная версия

Диэлектрики

До этого мы имели ввиду, что электрические заряды находились в вакууме. Вакуум это пространство, где нет вещества. Теперь рассмотрим, что точечный заряд находится в веществе обладающим диэлектрическими свойствами. Напомним, что диэлектрик это вещество, в котором отсутствуют или очень мало свободных электронов. Рассмотрим полярные диэлектрики. В них молекулы представляют диполи. Диполь представляет молекулу у которой по концам находятся электрические заряды противоположного знака (рисунок 18а).

Рисунок 18. Полярный диполь диэлектрика

а – отдельный диполь диэлектрика,

б – хаотичное расположение диполей в диэлектрике,

в – ориентирование диполей в диэлектрике при внешнем электрическом поле

Образование диполя обусловлено смещением электронов внутри молекулы в одну сторону. Смещение электронов в молекуле приведет к образованию положительных ионов. Но они никуда не смещаются. Следовательно, на другой стороне молекулы будет недостаток электронов. Так как молекула в целом является электрически нейтральной, поэтому с той стороны, откуда ушли электроны, будет преобладать положительный заряд за счет положительных ионов. Таким образом, происходит поляризация молекул диэлектрика. Когда нет внешнего электрического поля, то диполи расположены в диэлектрике хаотично (рисунок 18б).

При наличии электрического поля (E, на рисунке 18в обозначено красным цветом) происходит поляризация всех молекул диэлектрика и они ориентируются таким образом, чтобы положительная часть молекулы была ориентирована таким образом, чтобы создаваемое ими поле (E_d) было направлено противоположно внешнему полю (рисунок 18в, обозначено синим цветом). Такое распределение поляризованных молекул в диэлектрике обусловлено принципом Ле-Шателье. Этот принцип применим в химии и физике и мы еще им будем пользоваться.

Принцип Ле-Шателье: если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температура, давление, концентрация, внешнее электромагнитное поле), то в системе усиливаются процессы, направленные в сторону противодействия изменениям.

В данном случае на диэлектрик действует электрическое поле определенного направления, поэтому в нем возникает свое поле противоположного направления, с целью скомпенсировать внешнее поле. То есть новое возникшее поле, компенсируя (полностью или частично) внешнее поле старается привести диэлектрик в состояние, когда в нем не было внешнего поля.

Кстати, уместно вспомнить книгу «Физика для начинающих. I часть Механика без формул» когда на твердое тело действовала внешняя сила, то в нем возникала сила реакции. По третьему закону Ньютона сила реакции равна внешней силе и противоположно ей направлена. Вот вам проявление и применения принципа Ле-Шателье в механике. Это свидетельствует о взаимосвязи явлений различной природы и подчинения их фундаментальным законам мироздания.

Но вернемся к поляризации диэлектриков во внешнем электростатическом поле. Вследствие поляризации внутри диэлектрика возникает электрическое поле противоположного направления относительно внешнего поля. Тогда результирующая напряженность электрического поля будет равна разности напряженности внешнего поля и напряженности электрического поля диэлектрика. Таким образом, внешнее поле в диэлектрике ослабляется. Физическая величина равная отношению величины напряженности внешнего поля к величине напряженности результирующего поля в диэлектрике называется диэлектрической проницаемостью среды. Диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз ослабляется внешнее электрическое поле в диэлектрике, Диэлектрическая проницаемость среды обозначается греческой буквой ε (эпсилон), это безразмерная величина, так как определяется через соотношение величин имеющих одинаковую размерность.

В неполярных диэлектриках в отсутствии внешнего поля молекулы не являются диполями (рисунок 19а). При внешнем электрическом поле молекулы диэлектрика растягиваются и становятся диполями (рисунок 19б). В дальнейшем все происходит как в полярных диэлектриках.

Рисунок 20. Поляризация неполярного диэлектрика.

а – отдельная неполярная молекула диэлектрика,

б – неполярная молекула диэлектрика во внешнем электрическом поле

Ранее мы рассмотрели задачу о распределении электрического поля вне и внутри равномерно заряженной проводящей тонкой сферы. Сейчас рассмотрим распределение электрического поля заряженной сферы из диэлектрика (рисунок 20). При нанесении отрицательного заряда на диэлектрическую сферу происходит ее поляризация. На внешней поверхности сферы будет отрицательный заряд, а на внутренней – положительный. Этот положительный заряд будет создавать электрическое поле внутри сферы напряженность, которого возрастает от нуля в центре сферы до некоторого значения к ее внутренней поверхности. Вне сферы напряженность электрического поля будет уменьшаться обратно пропорционально квадрату расстояния от сферы. Напряженность на внешней оболочке будет в ε раз больше, чем на внутренней, где ε величина диэлектрической проницаемости среды.

Рисунок 20.Электрическое поле диэлектрической сферы

Разность потенциалов электрического поля

Рассмотрим однородное электрическое поле, создаваемое двумя параллельными пластинами (рисунок 21). Одна пластина заряжена положительно, а другая – отрицательно. Однородное означает, что вектор напряженности поля во всех его точках имеет одно направление и величину. Пусть в некоторой точке А поля находится электрический заряд +q. Под действием некоторой силы F переместим этот заряд вдоль силовой линии в положение точки В. Расстояние между точками А и В составляет L. Мы знаем, что если сила перемещает тело на какое-либо расстояние, то она совершает работу. Из рисунка видно, что сила кулоновского взаимодействия для заряда +q совпадает с направлением силовых линий. Так образом, внешняя сила F совершила работу против электрических сил (сил кулоновского взаимодействия) затратив на это некоторую рабату А. Если заряд переместился по направлению силовых линий электрического поля, то кулоновская сила совершила бы работу.

Рисунок 21. Перемещение электрического заряда в электрическом поле

Физики доказали, что работа по перемещению электрического заряда в электрическом поле не зависит от траектории движения, а определяется расстоянием между точками перемещения по силовым линиям (рисунок).

К такому выводу мы пришли ранее, рассматривая работу сил тяжести в гравитационном поле («Физика для начинающих. I часть Механика без формул»). Работа силы тяжести не зависит от траектории движения тела, а только от начальной и конечной высоты над Землей.

Поля, в которых работа по перемещению тела (заряда) не зависит от траектории движения, а определяется начальной и конечной точками перемещения не зависит от направления туда или обратно. В таких полях работа по перемещению по замкнутой траектории будет равна нулю. Такие поля называются потенциальными. Примерами потенциальных полей являются гравитационное и электрическое.

Теперь мы можем ввести понятие разность потенциалов. Разность потенциалов обозначается как: φ₁ – φ₂, что означает разность потенциалов в точках 1 и 2. Определение разности потенциалов:

Разность потенциалов двух точек электрического поля определяется работой электрических сил по перемещению единичного положительного из одной точки в другую и обозначается прописной английской буквой U.

Напомним, что единичный заряд это заряд равный единице. Необходимо отметить, что понятие потенциала просто не существует, поскольку заряд переносится из одной точки поля в другую. Когда говорят о потенциале какой-либо точки поля, то имеют ввиду, что вторая точка находится очень далеко, например, в бесконечности и имеет потенциал равный нулю. Разность потенциалов измеряется в Вольтах и ее размерность записывается В, названа в честь итальянского ученого Алессандро Вольта (1745–1827 г.)

Рисунок. 22. Алессандро Вольта (1745–1827 г.)

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/52/Alessandro_Volta.jpeg

Если имеются несколько электрических зарядов, то каждый заряд в какой-то выбранной точке поля создает свою разность потенциалов. В данном случае удобнее говорить о потенциале имея ввиду, что вторая точка находится в бесконечности и ее потенциал равен нулю. Поэтому разность потенциалов равна потенциалу в выбранной почке поля. Разность потенциалов величина алгебраическая, то есть имеет знак плюс или минус. К потенциалу применим принцип суперпозиции то есть сложения с учетом знака.

Разность потенциалов называют еще напряжением, тоже измеряющееся в Вольтах. Между напряженностью электрического поля и напряжением существует простое соотношение: напряжение (между двумя точками поля) равно напряженности умноженному на расстояние между этими точками.

Вокруг электрического заряда создается электрическое поле напряженность которого убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от него. Силовые линии направлены радиально из центра заряда. Понятно, что на одинаковом расстоянии от заряда напряженность во всех точек поля будет одинаковая. Зная связь между напряжением и напряженностью поля, следует, что на одинаковом расстоянии от заряда во все стороны потенциал будет одинаковый. Поверхность, которую образуют совокупность точек равного потенциала, называется эквипотенциальной. Для заряженного тела эквипотенциальная поверхность повторяет контуры тела (рисунок 23).