Меню
Видеоучебник
Видеоучебник  /  Физика  /  10 класс  /  Физика 10 класс ФГОС  /  Проводники и диэлектрики в электростатическом поле

Проводники и диэлектрики в электростатическом поле

Урок 45. Физика 10 класс ФГОС

Посмотрев этот видеоурок, ребята узнают, в чём состоит принципиальное отличие проводников от диэлектриков. Познакомятся с явлением электростатической индукции. Узнают, какие существуют типы диэлектриков, и что называют их поляризацией.

Конспект урока "Проводники и диэлектрики в электростатическом поле"

Из курса физики средней школы вы знаете, что в металлах свободными носителями зарядов являются электроны. Это происходит потому, что электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов, утрачивают связи со своими атомами и могут относительно свободно передвигаться по всему объёму металла.

Давайте посмотрим, что произойдёт, если поместить металлический проводник в однородное электрическое поле, которое создаётся двумя разноимённо заряженными пластинами. Мы уже с вами знаем, что вектор напряжённость этого поля направлен от положительно заряженной пластины к отрицательно заряженной. Под действием кулоновских сил свободные электроны наряду с непрекращающимся тепловым движением начнут упорядоченное движение в сторону положительно заряженной пластины (то есть возникнет электрический ток), создавая там избыточный отрицательный заряд. В то же время недостаток электронов на правой стороне проводника приведёт к возникновению на ней избыточного положительного заряда.

Явление, при котором на поверхности проводника, помещённого в электростатическое поле, появляются электрические заряды, называют электростатической индукцией или электризацией через влияние.

А электрические заряды, возникающие в результате электростатической индукции, называют индуцированными.

Конечно же перераспределившиеся заряды создадут собственное электрическое поле, линии напряжённости которого будут направлены в сторону, противоположную линиям напряжённости внешнего поля (то есть будут его компенсировать). За ничтожно малый промежуток времени (порядка 10–13 секунды) заряды в проводнике перераспределяются так, что напряжённость результирующего поля внутри пластины становиться равной нулю, и электрический ток прекращается. Следовательно, электростатическое поле в проводнике существовать не может.

Теперь давайте выясним, как распределяются заряды в наэлектризованном проводнике. Для этого проведём такой опыт. Возьмём полый металлический шар и заряди́м его. Теперь маленьким шариком на изолирующей ручке будем касаться различных точек внешней поверхности заряженного металлического шара, а затем электрометра. По углу отклонения стрелки электрометра, можно убедиться, что на внешней поверхности полого шара заряд распределяется равномерно.

Если же коснуться шариком внутренней поверхности заряженного шара, а затем электрометра, то стрелка последнего никак себя не проявит. Это говорит нам о том, что на внутренней поверхности шара избыточного заряда нет. То есть действительно, заряды, сообщённые проводнику, располагаются только на его внешней поверхности.

Это ещё раз доказывает, что электростатическое поле внутри проводника отсутствует. Суммарный заряд любой внутренней области проводника равен нулю и не влияет на распределение зарядов на его поверхности и на напряжённость поля внутри проводника.

На этом свойстве проводников и основан принцип действия клетки Фарадея, используемой для электростатической защиты.

И ещё один важный факт, о котором мы с вами должны знать: возле поверхности проводника силовые линии электростатического поля всегда перпендикулярны поверхности.

Докажем это методом от противного. Для этого предположим, что у поверхности проводника силовые линии не перпендикулярны поверхности, то есть вектор напряжённости поля направлен под некоторым углом к ней. Разложим вектор напряжённости на две взаимно перпендикулярные составляющие: одна из них — перпендикулярно поверхности проводника, а вторая направлена по касательной к этой поверхности.

Как мы знаем, в проводнике имеются свободные заряды (для простоты, будем считать, что это положительные заряды). На эти заряды будет действовать электрическая сила со стороны составляющей  и направлена она будет вдоль поверхности проводника. Под действием этой силы носители заряда тут же придут в движение и будут перемещаться туда, куда направлена касательная составляющая вектора напряжённости поля. Значит эти заряды будут создавать своё поле, направленное против  , которое со временем будет увеличиваться. Это будет продолжаться до тех пор, пока вектор  не исчезнет. И вектор напряжённости поля очень быстро повернётся и станет перпендикулярен поверхности проводника.

В 1729 году исследуя явление электризации через влияние английский физик Стефан Грей установил, что все вещества, известные на то время, можно разделить на два класса: способные переносить электрические заряды и этим свойством не обладающие. Соответствующие термины «проводник» и «изолятор» были введены ещё одним английским учёным Жаном Теофилом Дезагюлье.

В 1838 году Майкл Фарадей предложил называть изоляторы диэлектриками, так как в эти вещества способно проникать электростатическое поле.

Давайте посмотрим, что же происходит с диэлектриком, если его поместить в электростатическое поле. Для этого проведём такой опыт. Возьмём длинную деревянную линейку установим на подставке так, чтобы она могла свободно вращаться. Наэлектризуем стеклянную палочку и поднесём её к одному из концов линейки. Как видим, линейка начала поворачиваться в сторону палочки. Следовательно, незаряженный диэлектрик, коим является деревянная линейка, притягивается к заряженному телу. Объяснить это можно только при условии появления на его концах избыточных зарядов, противоположных по знаку.

Рассмотрим механизм перераспределения зарядов по поверхности диэлектрика. Вам уже известно, что все атомы и молекулы состоят из положительно заряженного ядра, вокруг которого с огромной скоростью вращаются отрицательно заряженные электроны. Например, в ядре атома водорода электрон совершает один оборот примерно за 10–15 секунд. Значит, например, за 10–9 секунд он совершит один миллион оборотов, и миллион раз побывает в двух любых диаметрально противоположных точках. Это даёт нам основание полагать, что центр распределения отрицательного заряда в атоме приходится на его ядро.

А теперь посмотрим на молекулу поваренной соли. Из химии вам должно быть известно, что в атоме натрия на внешней оболочке есть всего один валентный электрон, слабо связанный с ядром.

А у атома хлора валентных электронов 7. Таким образом, при образовании молекулы поваренной соли единственный свободный валентный электрон натрия захватывается хлором. В результате из двух нейтральных атомов образуются система из двух разноимённо заряженных ионов. Теперь положительный и отрицательный заряды не распределены симметрично по объёму молекулы: центр распределения положительного заряда приходиться на ион натрия, а отрицательного — на ион хлора.

На большом расстоянии такую молекулу можно рассматривать как электрический диполь, то есть систему двух равных по модулю и противоположных по знаку зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.

В связи с этим все диэлектрики принято делить на два вида:

неполярные, состоящие из атомов и молекул, у которых центры распределения зарядов совпадают (это, например, парафин, бензол, инертные газы, кислород и так далее);

и полярные, состоящие из молекул, у которых центры распределения зарядов не совпадают (примерами служат спирт, вода, аммиак, ацетон);

У полярных диэлектриков в отсутствие внешнего электростатического поля молекулы-диполи, совершая тепловое движение, располагаются хаотически. Поэтому, результирующее электрическое поле, создаваемое диполями, практически равно нулю, так как в среднем равен нулю электрический заряд.

Когда мы помещаем диэлектрик во внешнее поле, то на каждый диполь начинают действовать две силы, равные по модулю, но противоположные по направлению. Под действием этих сил диполи стремятся повернуться так, чтобы их оси совпали с направлением напряжённости внешнего поля. При этом положительные заряды смещаются в направлении электрического поля, а отрицательные — противоположно этому направлению.

Такое смещение положительных и отрицательных связанных зарядов диэлектрика в противоположные стороны называется поляризацией, а сам диэлектрик в этом состоянии — поляризованным.

Упорядоченное расположение всех диполей вдоль силовых линий возможно только при температуре, близкой к абсолютному нулю. Во всех остальных случаях происходит лишь их частичная ориентация. Это означает, что в среднем число электрических диполей, ориентированных вдоль поля, больше, чем их число, ориентированных против поля. В результате в любой части диэлектрика суммарный электрический заряд всё также будет равен нулю. Но вот на поверхности диэлектрика появятся заряды: с одной стороны преимущественно положительные заряды диполей, с другой — отрицательные.

У неполярных диэлектриков молекулы со сферически симметричным распределением зарядов в отсутствие внешнего электрического поля не создают собственного поля. Под влиянием электростатического поля положительные и отрицательные заряды в пределах молекулы несколько смещаются один относительно другого, образуя диполь. Поэтому, как и в случае с полярными диэлектриками, в неполярных диэлектриках на одной поверхности появляется положительный поляризационный заряд, на другой — отрицательный

Поляризация диэлектрика несколько напоминает электризацию проводника через влияние. Однако между этими явлениями существует глубокое различие. Дело в том, что в проводниках электризация обусловлена наличием свободных зарядов. И если разделить в электрическом поле проводник, заряженный через влияние, то мы получим два противоположно заряженных проводника,

В диэлектрике же поляризационные заряды не перемещаются, поэтому их и называют связанными. Эти заряды нельзя отделить один от другого. И если поляризованный диэлектрик разрезать пополам во внешнем электрическом поле, то на одной стороне каждой половинки будет нескомпенсированный положительный заряд, а на другой — отрицательный.

Очевидно, что поляризационные заряды, появившиеся на границе ди­электрика с проводником вследствие его поляризации, создают собственное электростатическое поле, напряжённость которого направлена навстречу напряжённости внешнего поля и ослабляет её, но не компенсирует полностью.

Согласно принципу суперпозиции, модуль напряжённости результирующего электростатического поля внутри диэлектрика равен разности напряжённостей внешнего поля и поля, созданного поляризационными зарядами:

Для характеристики электрических свойств диэлектриков вводят физическую величину, называемую диэлектрической проницаемостью вещества.

Диэлектрическая проницаемость веществаэто скалярная физическая величина, которая показывает, во сколько раз модуль напряжённости электростатического поля внутри однородного диэлектрика меньше модуля напряжённости поля в вакууме:

Различные диэлектрики поляризуются внешним полем по-разному и имеют разную диэлектрическую проницаемость. В таблице приведены диэлектрические проницаемости различных веществ относительно вакуума, диэлектрическая проницаемость которого принанимается за единицу.

Обратите внимание на диэлектрическую проницаемость воздуха. Так как её значение мало отличается от диэлектрической проницаемости вакуума, то при решении большинства задач мы будем считать её равной единице.

3791

Комментарии 0

Чтобы добавить комментарий зарегистрируйтесь или на сайт