Проводники в электростатическом поле

ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ

Проводники в электростатическом поле

Свободные заряды

В отношении электрических свойств тела делятся на провод­ники и диэлектрики (изоляторы). В проводниках, к которым в первую очередь относятся все металлы, имеются заряженные частицы, которые способны перемещаться внутри проводника под действием электрического поля. По этой причине заряды этих частиц называют свободными зарядами.

Диэлектрики состоят из нейтральных в целом атомов или молекул. Электрически заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут, по­добно свободным зарядам проводника, пе­ремещаться под действием поля по всему объему тела.

В металлах носителями свободных за­рядов являются электроны. При образовании металла из нейт­ральных атомов атомы начинают взаимодействовать друг с другом. Благодаря этому взаимодействию электроны внешних оболочек атомов полностью утрачивают связи со «своими» ато­мами и становятся «собственностью» всего проводника в це­лом. В результате положительно заряженные ионы оказыва­ются окруженными отрицательно заряженным «газом», обра­зованным коллективизированными электронами (рис. 1.48). Этот газ заполняет промежутки между ионами и стягивает их кулоновскими силами. Свободные электроны участвуют в теп­ловом движении, подобно молекулам газа, и могут переме­щаться по куску металла в любом направлении.

ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ

 

Взаимодействие заряженных тел в однородном диэлект­рике ослабляется в г раз (г — диэлектрическая проница­емость среды). Выясним, почему это происходит.

Как влияет диэлектрик на электростатическое поле?

С помощью простого опыта можно убедиться в том, что не­заряженный диэлектрик может создавать электрическое поле. На рисунке 1.52 вы видите заряженный электрометр с метал­лическим диском на конце стержня. Если к диску электромет­ра поднести незаряженный диэлектрик, например толстое стекло, то стрелка электрометра слегка приблизится к стерж­ню (рис. 1.53). Это может произойти только в том случае, если диэлектрик, помещенный в электрическое поле заряженного диска, сам создает электрическое поле. Это поле влияет на рас­пределение заряда в стержне и диске электрометра, уменьшая заряд стрелки и увеличивая соответственно заряд диска. Сле­довательно, диэлектрик, оставаясь нейтральным, создает электрическое поле, напряженность которого направлена противоположно напряженности поля, созданного заряжен­ным телом. Ведь согласно принципу суперпозиции напряжен­ность электрического поля всегда равна сумме напряженностей полей, созданных в данной точке всеми заряженными час­тицами.

 

Электрический диполь

 

На большом расстоянии от молекулы ее можно приближен­но рассматривать как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, находящих­ся на некотором расстоянии l друг от друга (рис. 1.57). Такую нейтральную в целом систему зарядов называют электри­ческим диполем.

Электрические свойства диполя характеризуются электри­ческим дипольным моментом. Электрический мо­мент диполя равен произведению модуля одного из электри­ческих зарядов диполя на вектор l, проведенный от отрица­тельного заряда диполя к положительному:

 

 

Дипольным моментом обладает, например, молекула воды. Однако распределение электрических зарядов у молекулы Н₂0 гораздо сложнее, чем у NaCl. Устроена молекула воды

приблизительно следующим образом. Из восьми электронов атома кислорода два находятся вблизи ядра. Пара электронов с внешней оболочки спаривается с двумя электронами атомов водорода, удерживая все три атома (один кислорода и два водорода) друг около друга. Остающиеся четыре электрона движутся парами по орбитам, простирающимся в стороны, противоположные атомам водорода. Примерная схема элек­тронных орбит в молекуле воды изображена на рисунке 1.58. Верхняя по рисунку часть молекулы имеет положительный заряд, а нижняя — отрицательный. В результате молекулу на большом расстоянии тоже можно рассматривать как электри­ческий диполь. Электрический дипольный момент молекулы воды по сравнению с дипольными моментами других молекул

оказывается большим: р = 1,87 • 10^-18 СГСЭ.

 

Два вида диэлектриков

 

Диэлектрики можно разделить на два вида:

полярные, состоящие из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают;

неполярные, состоящие из атомов и молекул, у кото­рых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают.

К полярным диэлектрикам относятся спирты, вода и дру­гие вещества; к неполярным — инертные газы, кислород, во­дород, бензол, полиэтилен и др.

 

Поляризация диэлектриков.

 

Сегнетоэлектрики

 

Кроме полярных и неполярных диэлектриков, существует еще один тип диэлектриков, кото­рые называют сегнетоэлектриками. Эти вещества обладают рядом замечательных свойств. В частности, они име­ют очень большую диэлектрическую проницаемость. Так, на­пример, у сегнётовой соли диэлектрическая проницаемость до­стигает 10 000. Заметим для сравнения, что среди полярных диэлектриков наибольшей проницаемостью обладает вода (ε = 81). Значение ε у неполярных диэлектриков много меньше.

Большой вклад в исследование сегнетоэлектриков был сделан отечественными физиками И. В. Курчатовым, Б. М. Вулом и др.

ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ

Проводники в электростатическом поле

Свободные заряды

В отношении электрических свойств тела делятся на провод­ники и диэлектрики (изоляторы). В проводниках, к которым в первую очередь относятся все металлы, имеются заряженные частицы, которые способны перемещаться внутри проводника под действием электрического поля. По этой причине заряды этих частиц называют свободными зарядами.

Диэлектрики состоят из нейтральных в целом атомов или молекул. Электрически заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут, по­добно свободным зарядам проводника, пе­ремещаться под действием поля по всему объему тела.

В металлах носителями свободных за­рядов являются электроны. При образовании металла из нейт­ральных атомов атомы начинают взаимодействовать друг с другом. Благодаря этому взаимодействию электроны внешних оболочек атомов полностью утрачивают связи со «своими» ато­мами и становятся «собственностью» всего проводника в це­лом. В результате положительно заряженные ионы оказыва­ются окруженными отрицательно заряженным «газом», обра­зованным коллективизированными электронами (рис. 1.48). Этот газ заполняет промежутки между ионами и стягивает их кулоновскими силами. Свободные электроны участвуют в теп­ловом движении, подобно молекулам газа, и могут переме­щаться по куску металла в любом направлении.