Как диэлектрик влияет на электрическое поле

Диэлектрики и проводники в электрическом поле

Как диэлектрик влияет на электрическое поле

Диэлектрики и проводники в электрическом поле – тема статьи. Ниже рассмотрены физические процессы, происходящие внутри тел и снаружи. Рекомендуется ознакомиться с обзорами на тему электрического потенциала и электрического напряжения.

Электричество и магнетизм

Электричество известно с давних времён, но иных сведений, кроме признания существования, о явлении не приводилось. Узнали лишь, что статический заряд удаётся получить трением, и дело застопорилось. Сложно сказать, что открыто раньше, но геологи считают, что магнетизм известен людям по крайней мере с V века до нашей эры. Находки указывают, что намагниченные куски породы использовались в неизвестных целях на территории современной Турции.

Известно, что систематизация данных по магнетизму началась раньше. Первопроходцем стал известный ныне, благодаря единственному документу, Перегрин. В 1269 году он написал манускрипт, где описал и систематизировал данные по магнитам, предложил методику ориентации для путешественников в пространстве. С латинского «перегринус», «пилигрим» – путешественник. Уже в первые века нашей эры свойство магнита активно эксплуатировалось китайскими мореходами. Перегрин вскрывал ряд свойств:

  1. Магнит всегда располагается по направлению с севера на юг. Следовательно, обнаруживает два полюса. Одноименные отталкиваются, а разноимённые притягиваются.
  2. Если магнит разломить пополам, получается два совершенно отдельных куска, обладающие в полной мере свойствами первоначального. Получить полюс по отдельности простыми средствами не получится.

Что касается электричества, физики отдают несомненный приоритет Гильберту. Этот человек создал трактат, где собрал и систематизировал имеющиеся данные, много экспериментировал самостоятельно. Гильберт, по странному совпадению занялся сравнением магнетизма и электричества.

К 1600 году никто не задумывался о связи материй и ничего не мог доказать. Гильберт установил, что электричество – в его понимании – считается слабой субстанцией: заряд легко смывается водой, экранируется и характеризуется малой силой взаимодействия.

Для теории и будущих поколений сделал важное наблюдение:

  • Магнитный шар из руды – Гильберт назвал его Тереллой – ведёт себя подобно Земному в смысле действия на стрелку компаса.
  • Электрическое взаимодействие распространяется по прямой. Следовательно, Гильберт оказался первым, кто правильно охарактеризовал силовые линии поля.

Два века понадобилось человечеству, чтобы подобный эффект обнаружить в проводе с током. Сказанное приводит к выводу, что исследования тормозились, вдобавок к инквизиции, отсутствием генератора электричества – не с чем проводить эксперименты. Тереть янтарь шерстью утомительно и малоэффективно. Иллюстрации Гильберта (см. рис.) подтолкнули исследователей к изучению структуры силовых линий, что в будущем помогло объяснить поведение диэлектриков и проводников в магнитном поле.

Гильберту приписывают первую систематизации материалов. Он искал вещества, демонстрирующие способности к электризации, составил списки отличающихся. В последний класс попало большинство металлов, в первый – диэлектрики.

Сегодня установлено, что статический заряд распределить возможно практически на любом теле. Но трением приобретают необычные свойства преимущественно диэлектрики.

Таким образом, Гильберт первым систематизировал материалы, хотя на момент 1600 года не смог дать удовлетворительные объяснения.

Считается, что первый электростатический генератор изобрёл Отто фон Герике. Серный шар, вращающийся на железной оси, натирали ладонями, наблюдая искры электрического разряда.

Герике обнаружил перераспределение статического электричества по поверхности различных тел.

На основе созданного генератора стали ставить опыты, к середине XVIII века материалы оказались поделены на классы (проводники и диэлектрики) и по знаку получаемого трением заряда. Появилось смоляное (отрицательное) и стеклянное (положительное) электричество.

Дальнейшие эксперименты позволили при помощи крутильных весов (на тонкой нити) установить закон притяжения и отталкивания между зарядами. Это сделал Шарль Кулон.

Он описал количественно силу взаимодействия, подтвердив предположение Гильберта о линейности силовых линий электрических зарядов. На это ушло без малого два века.

Закон Кулона позволил учёным дать первые объяснения касательно поведения диэлектриков и проводников в электрическом поле. Уже тогда присутствовало любопытное приспособление, способное удивить и скептика

Электрофорус

Если поведение диэлектриков в электрическом поле долгое время оставалось неизученным, благодаря металлам Вольта узнал больше об электричестве и позже смог изобрести знаменитый гальванический источник питания. Речь идёт об электрофорусе. Прибор, не слишком известный в России, будоражил умы западных учёных, сегодня служит непременным элементом развлечения студентов. Прибор сейчас покажет (и докажет), как ведут себя проводники в электрическом поле.

Электрофорус – статический генератор с ручным взводом, металлическая печать солидного размера, лучший способ демонстрации статического электричества. Представим, что на круглую подложку из древесины наклеен тончайший лист резины.

Вольта говорил, что толстый кусок проявляет худшие свойства. Но не сумел объяснить причину. В давнее время люди не знали, что диэлектрики обладают способностью запасать энергию электрического поля во внутренней структуре.

Принцип теперь используется в большинстве конденсаторов.

Тонкий кусок меньше энергии поля поглощал и больше оставлял на поверхности в виде заряда. Трением быстрее доводился до кондиции. Указанный факт отметил Вольта. Требовалось резину натереть. Вольта делал это добрым куском шерсти в течение ряда минут.

Заключительным штрихом конструкции служил тонкий металлический диск, полностью покрывавший резиновый. Толщина выбиралась меньшей, чтобы свойства проводника в электрическом поле проявились ярче. Что происходило в электрофорусе:

  1. Оператор натирал резину до образования плотного статического заряда электронов.
  2. Убирал шерсть и опускал сверху металлический диск.
  3. Проводник электризовался влиянием. Из-за шероховатости поверхности точек соприкосновения оказывалось мало, низ диска заряжался положительно. Это вызвано оттоком электронов, вытолкнутых полем наверх (см. ниже).
  4. Потом оператор кратковременно заземлял верхнюю часть диска лёгким касанием и разрывал поверхности.
  5. На нижней стороне металлической «печати» оставался свободный статический положительный заряд.

Опыт повторялся десятки раз. Очевидцы заявляют о сотнях, а Вольта говорил, что «сложно избавить резину от флюида» и предлагал делать это солнечными лучами, пламенем свечи и прочими сильными средствами. Чтобы понять, как работает электрофорус, нужно иметь представление о поведении проводника в электрическом поле.

Поведение проводника в электрическом поле

Деление на проводники, полупроводники и диэлектрики условное. Нет чёткой границы, градация ведётся по удельной проводимости веществ. Проводники хорошо проводят ток, диэлектрики практически лишены указанного качества.

Рассмотрим случай однородного поля с прямыми и параллельными друг другу силовыми линиями, как в большинстве учебников физики. Помещённый в постоянное поле металл начинает заряжаться статическим электричеством, как описано выше. Смысл: линии напряжённости идут в направлении, куда двигался бы положительный заряд – так решил Франклин. Но электроны отрицательны, плывут против течения.

В результате на образце проводника со стороны истока поля скапливается избыток носителей со знаком минус. А противоположный конец металла положителен. Процесс происходит так:

  1. Поле проникает внутрь металла.
  2. Проводник полон свободных носителей заряда, двигающихся вдоль силовых линий.
  3. Процесс перераспределения идёт, пока собственное поле электронов и свободных орбит атомов не уравновесит внешнее воздействие.
  4. На этом влияние постоянного электрического поля исчерпывается.

Что происходит, если напряжённость поля непостоянна во времени? Допустим, на поверхность падает электромагнитная волна, вызывая попеременное движение электронов в обе стороны, что вызовет ответную электромагнитную волну. Получается, проводник обладает экранирующими свойствами. Отразится лишь половина, это доказывается в теории динамики распространении радиоволн. Чтобы эффект экранирования стал полным, требуется металл заземлить. Что делается на практике.

Поведение диэлектрика в электрическом поле

Стройной теории по поводу поведения диэлектриков в электрическом поле сегодня нет. Физики объясняют происходящее так: в толще вещества присутствуют диполи, образованные сложным строением полимера или аморфного вещества. Размер структур лежит в области нанотехнологий. Молекулы обладают упругими свойствами, проникающее внутрь поле ориентирует их соответствующим образом. Положительная часть смещается по направлению поля, а отрицательная – против.

Диэлектрик способен накапливать энергию поля. Это используется в конденсаторах. Показано, что ёмкость их увеличивается в количество раз, равное диэлектрической проницаемости материала, помещённого между обкладками (для воздуха и вакуума величина равняется 1). Опишем происходящее:

  1. Конденсатор способен зарядиться лишь до уровня приложенного напряжения.
  2. Между обкладками создаётся поле. Уровень его напряжённости вычисляется через разницу электрических потенциалов.
  3. Поле действует на диэлектрик. Диполи внутри начинают ориентироваться так, чтобы с лёгкостью ослабить напряжённость поля.
  4. Как результат, напряжение на обкладках понижается, процесс заряда возобновляется, до достижения лимита, определяемого типом диэлектрика. Речь идёт о проницаемости вещества.
ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Сколько вольт равен 1 ампер

Диэлектрики в свободном состоянии не имеют выраженного заряда, описываемый эффект назван поляризацией – созданием поля. Вращение диполей считается лишь механизмом, проявляющимся при внешнем воздействии. Во вторую очередь, элементарные заряды начинают вдобавок отдаляться друг от друга. Диполь растягивается. Силы упругости вносят лепту в запасание диэлектриком энергии поля.

Статический заряд на материалы нельзя нанести влиянием. Они хорошо электризуются трением и прикосновением. О чем осведомлены инженеры из нефтяного бизнеса. Масса усилий уходит, чтобы не допустить электризации горючего, приводящей к взрывоопасной ситуации. Задача облегчается тем, что заряд стремится расположиться на поверхности вещества. И специальными гребёнками легко производится нейтрализации. Их ставят на пути потока нефти и снимают на заземлитель избыточный заряд.

Источник: https://VashTehnik.ru/enciklopediya/dielektriki-i-provodniki-v-elektricheskom-pole.html

Какими свойствами обладает электрическое поле

Как диэлектрик влияет на электрическое поле

Есть такой термин в физике, как «Электрическое поле». Он описывает явление возникновения определенной силы вокруг заряженных тел.

Оно применяется на практике и встречается в повседневной жизни.

В этой статье мы рассмотрим, что такое электрическое поле и какие его свойства, а также, где оно возникает и применяется.

Определение

Вокруг заряженного тела возникает электрическое поле. Если сказать формулировку простыми словами, то это такое поле, которое действует на другие тела с определенной силой.

Основной количественной характеристикой является напряженность электрического поля. Она равна отношению силы, действующей на заряд, к величине заряда. Сила действует в каком-то направлении, значит и напряженность ЭП векторная величина. Ниже вы видите формулу напряженности:

Напряженность ЭП действует в направлении, которое вычисляется по принципу суперпозиции. То есть:

На рисунке ниже вы видите условное графическое изображение двух зарядов разной полярности и силовые линии электрического поля, возникающего между ними.

Важно! Главным условием возникновения электрического поля является то, что тело должно иметь какой-то заряд. Только тогда вокруг него возникнет поле, которое будет действовать на другие заряженные тела.

Чтобы определить величину напряженности электрического поля вокруг единичного пробного заряда используют закон Кулона, в этом случае:

Такое поле называют еще и кулоновским.

Другой важной физической величиной является потенциал электрического поля. Это уже не векторная, а скалярная величина, она прямопропорциональна энергии, приложенной к заряду:

Важно! Силовой и энергетической характеристикой электрического поля является напряженность и потенциал. Это и есть его основные физические свойства.

Он измеряется в Вольтах и численно равен работе ЭП по перемещению заряда из определенной точки в бесконечность.

Более подробно узнать о том, что такое напряженность электрического поля, вы можете из видео урока:

Виды полей

Различают несколько основных видов полей, в зависимости от того, где оно существует. Рассмотрим несколько примеров возникающих полей в различных ситуациях.

  1. Если заряды неподвижны – это статическое поле.
  2. Если заряды движутся по проводнику – магнитное (не путать с ЭП).
  3. Стационарное поле возникает вокруг неподвижных проводников с неизменяющимся током.
  4. В радиоволнах выделяют электрическое и магнитное поле, которые расположены в пространстве перпендикулярно друг другу. Это происходит, потому что любое изменение МП порождает возникновения ЭП с замкнутыми силовыми линиями.

Обнаружение электрического поля

Мы попытались вам рассказать все важные определения и условия существования электрического поля простым языком. Давайте разбираться, как его обнаружить. Магнитное обнаружить легко – с помощью компаса.

Электрическое поле мы можем обнаружить в быту. Все мы знаем, что если потереть пластиковую линейку об волосы, то мелкие бумажки начнут к ней притягиваться. Это и есть действие электрического поля. Когда вы снимаете шерстяной свитер, слышите треск и видите искорки – это оно же.

Другим способом обнаружить ЭП – поместить в него пробный заряд. Действующее поле отклонит его. Это применяется в ЭЛТ мониторах и, соответственно, лучевых трубках осциллографа, об этом поговорим позже.

Практика

Мы уже упомянули о том, что в быту электрическое поле проявляется, когда вы снимаете шерстяную или синтетическую одежду с себя и проскакивают искорки между волосами и шерстью, когда натрете пластиковую линейку и проведете над мелкими бумажками, а они притягиваются и прочее. Но это не является нормальными техническими примерами.

В проводниках малейшее ЭП вызывает движение носителей зарядов и их перераспределение.

В диэлектриках, так как ширина запрещенной зоны в этих веществах большая, ЭП вызовет движение носителей зарядов только в случае пробоя диэлектрика.

В полупроводниках действие находится между диэлектриком и проводником, но нужно преодолеть небольшую ширину запрещенной зоны, передав энергию порядка 0.30.7 эВ (для германия и кремния).

Из того, что есть в каждом доме – это электронные бытовые приборы, в том числе и блоки питания. В них есть важная деталь, которая работает благодаря электрическому полю – это конденсатор.

В нём заряды удерживаются на обкладках, разделенных диэлектриком, как раз таки благодаря работе электрического поля.

На картинке ниже вы видите условное изображение зарядов на обкладках конденсатора.

Другое применение в электротехнике — это полевые транзисторы или МДП-транзисторы. В их названии уже упоминается принцип действия.

В них принцип работы основан на изменении проводимости СТОК-ИСТОК под воздействием на полупроводник поперечного электрического поля, а в МДП (МОП, MOSFET – одно и то же) и вовсе затвор отделен диэлектрическим слоем (окислом) от проводящего канала, так что влияние токов ЗАТВОР-ИСТОК невозможно по определению.

Другое применение уже отошедшее в быту, но еще «живое» в промышленной и лабораторной технике – электроннолучевые трубки (ЭЛТ или т.н. кинескопы). Где одним из вариантов устройства для перемещения луча по экрану является электростатическая отклоняющая система.

Если рассказать простым языком, то есть пушка, которая излучает (эмитирует) электроны. Есть система, которая отклоняет этот электрон в нужную точку на экране, для получения необходимого изображения.

Напряжение прикладывается к пластинам, а на эмитированный летящий электрон воздействуют кулоновские силы, соответственно и электрическое поле. Все описанное происходит в вакууме.

Источник: https://alekstroy.com/kakimi-svoystvami-obladaet-elektricheskoe-pole/

1.2. Влияние электрического поля на проводники и диэлектрики

Как диэлектрик влияет на электрическое поле

Проводникаминазываютсявещества, содержащие заряды, которыемогут в них свободно перемещаться(свободныезаряды). Ктаким веществам относятся, например,металлы (см. табл. 2.1), содержащие свободныеэлектроны, и электролиты, содержащиесвободные положительно и отрицательнозаряженные ионы.

Диэлектрикаминазываютсявещества, в которых свободные зарядыотсутствуют. Однако внутри своихэлектрически нейтральных молекул онисодержат связанныемеждусобой положительные и отрицательныезаряды.Ктаким веществам относятся, например,эбонит, гетинакс, асбоцемент и т.д. (см.табл. 2.2).

Приналичии проводников и диэлектриковэлектрическое поле существует в том жевакууме, как если бы проводники идиэлектрики отсутствовали, а их влияниена электрическое поле сводится кпоявлению дополнительных зарядов,переместившихся в этих веществах поддействием электрического поля и в своюочередь создающих электрическое поле.

Впроводниках свободные заряды поддействием статического электрическогополя свободно перемещаются, располагаясьна поверхности проводников.

Статическоеэлектрическое поле в проводникахсуществовать не может, так как в противномслучае было бы перемещение свободныхзарядов.

Вдиэлектриках под действием электрическо-гополя происходит упругое смещение —поля-ризациявнутримолекул связанных зарядов £ »(рис.1.6, положительных зарядов — по направ-лениюполя, отрицательных — в обратномна-правлении).

Закон Гаусса

Суммавсех свободных и связанных зарядов,заключенных в объеме, ограниченномзамкнутой поверхностью S,пропорциональна потоку векторанапряженности электрического полячерез эту поверхность:

гдеотносительнаядиэлектрическая проницаемость диэлектрика(безразмерная величина).

Длявакуума =1.

Произведениеотносительной диэлектрическойпроницаемости на электрическую постояннуюназываетсяабсолютнойдиэлектрической проницаемостью:

Пример1.2.Определитьнапряженность однородного электрическогополя равномерно заряженной пластины сплотностью заряда 8=Ю-10Кл/м2и разность потенциалов между точками1 и 2, расположенными на расстояниях ах= 1м и а2= 3,5м от заряженной пластины вдоль силовойлинии поля (см. рис. 1.4).

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Как работать с диодами

Решение.Потеореме Гаусса (1.8) поток векторанапряженности электрического полячерез поверхность куба с площадью гранейSравен

Разностьпотенциалов между точками 1и2поформулам (1.6) и (1.7) равна

1.3. Электрическая емкость, конденсаторы и емкостные элементы

Конденсаторомназываетсяустройство, служащее для накоплениязарядов.

Нарис. 1.7, аизображенпростейший плоский конденсатор с двумяпараллельными обкладками каждая площадьюS,которыенаходятся в вакууме на расстоянии dдругот друга.

Еслимежду верхней и нижней обкладкамиконденсатора приложить напряжение иаЬ,то на верхней и нижней обкладкахконденсатора накопятся одинаковыеположительный и отрицательный свободныезаряды ±qCB= ±q.

Накопленныйв конденсаторе заряд qпропорционаленприложенному напряжению иаЬ= ис

гдекоэффициентпропорциональности С называетсяэлектрическойемкостью (емкостью)конденсатора.

Единицаизмерения емкости в СИфарад(Ф):1 Ф = 1 Кл/В = =1А*с/В.

Междуобкладками плоскогоконденсатораэлектрическое полебудет однородным (если не учитыватькраевого эффекта) с напряженностью(см.пример 1.2)

Сравнивсоотношения (1.9) и (1.10), получим выражениедля емкостиплоского вакуумного конденсатора:

.

Дляувеличенияемкости плоского конденсаторапространство между его обкладкамизаполняют диэлектриком (рис. 1.7, б).

Поддействием электрического поля хаотическиориентированные в пространстве дипольныемолекулы диэлектрика приобретаютпреимущественное направление ориентации.При этом внутри однородного диэлектрикаположительные и отрицательные зарядыдипольных молекул компенсируют другдруга (на рис. 1.

7, ботмеченоштриховой линией), а на границах собкладками плоского конденсатораостаются некомпенсированные слоисвязанныхзарядов .На границе с обкладкой, заряженнойположительно (отрицательно), располагаетсяслой отрицательных (положительных)связанных зарядов.

Приналичии связанных зарядов напряженностьэлектрического полявнутриконденсатора уменьшается:

Отсюдаследует, что при той же напряженностиэлектрического поля, а следовательно,и напряжении иаЬ= исзарядqдолженбыть больше. Поэтому увеличится, какследует из (1.8),иемкостьплоского конденсатора с диэлектрикомпо сравнению с емкостью такого жевакуумного конденсатора:

(1.11)

Втабл.1.1приведенызначения параметров некоторыхдиэлектриков;

Электрическойпрочностью диэлектрикаεпназывается предельная напряженностьэлектрического поля еще не вызывающееэлектрического пробоя изоляционногоматериала.

Электрическийпробой— лавинный пробой (резкое уменьшениесопротивления изоляции с одновременнымнеконтролируемым увеличением токачерез диэлектрик), связанный с тем, чтоносительзарядана длинесвободного пробегаприобретает энергию,достаточную для ионизациимолекул кристаллическойрешёткиили газа и увеличивает концентрациюносителей заряда. При этом создаютсясвободные носители заряда (увеличиваетсяконцентрация электронов),которые вносят основной вклад в общийток.Генерация носителей происходитлавинообразно.

втабл. 1.2—условные графические обозначенияконденсаторов;

втабл. 1.3—характеристики некоторых типовконденсаторов на основе различныхдиэлектриков.

Оченьбольшой емкостью обладают электролитическиеконденсаторы(до 15000мкФ),в которых используется, например, тонкаяоксидная пленка алюминия. Оксиднаяпленка является диэлектрикомтолько при одном направлении напряженностиэлектрического поля. По этой причинеэлектролитические конденсаторы пригоднытолько при одной полярности приложенногок ним относительно невысокого напряжения(5—450 В).

Таккак электрическое поле всегда существуетмежду различными деталями электротехническихустройств, находящихся под напряжением,между ними есть электрическая(паразитная) емкость.

Линейныйемкостный элементявляетсясоставляющей схемы замещения любойчасти электротехнического устройства,в которой значение заряда пропорциональнонапряжению. Его параметром служитемкость С= const.

Кулон-вольтнойхарактеристикой конденсатораq(uc).— зависимость величины заряда конденсатораот напряжения на его обкладках.

Еслизависимость заряда от напряжениянелинейная, то схема замещения содержитнелинейныйемкостный элемент,которыйзадается нелинейной кулон-вольтнойхарактеристикой q(uc).

Нарис.1.8 приведены кулон-вольтныехарактеристики линейного (линия а)инелинейного (линия Ь)емкостныхэлементов, а также условные обозначениятаких элементов на схемах замещения.

Еслинапряжение,приложенное к емкостномуэлементу, изменяется(увеличивается или уменьшается), тоизменяетсяи заряд,т.е. вемкостном элементеесть ток.

Положительноенаправление тока в емкостном элементевыберем совпадающим с положительнымнаправлением приложенного к немунапряжения (см. рис. 1.7, в).Поопределению токравенскорости изменения заряда:

(1.12)

Влинейном емкостном элементес учетом (1.9) токравен

(1.13)

Еслиза время t1напряжениенаемкостном элементеизменится от нуля до тоэлектрическомполе элемента будет накоплена энергия

илис учетом (1.12)

(1.14)

гдеq1—значение свободного заряда при напряженииис=ис1.

Энергияэлектрического поля емкостного элементапри напряжении ис(см.формулу (1.14)) пропорциональна соответствующейплощади, заключенной между кулон-вольтнойхарактеристикой и осью ординат (см. рис.1.8, где заштрихована площадь, пропорциональнаяэнергии электрического поля нелинейногоемкостного элемента при напряжениииС1).

Энергияэлектрического поля линейногоемкостного элемента при напряжении исиз(1.14) с учетом (1.9) равна

.(1.15)

Емкостныеэлементы можно рассматривать в качествеаккумуляторов энергии.

Источник: https://studfile.net/preview/2015014/page:2/

Электрическое поле. Действие электрического поля на электрические заряды. Проводники и диэлектрики – FIZI4KA

ОГЭ 2018 по физике ›

1. Электрическое взаимодействие отличается от взаимодействия тел, изучаемого механикой, прежде всего тем, что заряженные тела взаимодействуют, находясь на некотором расстоянии друг от друга.

Это взаимодействие наблюдается как в вещественной среде, так и в безвоздушном пространстве. Согласно утверждению английских учёных М. Фарадея и Д. Максвелла, в пространстве, в котором находится заряженное тело, существует электрическое поле.

Посредством этого поля одно заряженное тело действует на другое.

https://www.youtube.com/watch?v=BcN-08nLOXs

Электрическое поле материально, наряду с веществом оно представляет собой вид материи. Это означает, что электрическое поле реально, оно существует независимо от нас. Убедиться в реальности электрического поля заряженного тела можно, наблюдая его действие на другие тела.

Силу, с которой поле действует на внесённый в него электрический заряд, называют электрической силой. Предположим, что в электрическое поле, существующее вокруг некоторого заряженного тела, вносят электрический заряд. Значение силы, с которой это поле действует на заряд, зависит от расстояния между зарядами и от значения этих зарядов.

2. Одним из способов электризации тел является электризация через влияние. Предположим, что к шару электрометра поднесли, не касаясь его, отрицательно заряженную палочку.

Электрическое поле этой палочки будет действовать на заряды, содержащиеся в электрометре. При этом свободные электроны будут отталкиваться и соберутся на конце стержня и на стрелке, отклонение стрелки покажет наличие заряда.

На шаре электрометра при этом будет избыточный положительный заряд. Если палочку убрать, то стрелка электрометра вернётся в ноль.

Для того чтобы на электрометре остался заряд, его нужно заземлить, т.е. соединить с Землёй. Это можно сделать, если коснуться шара электрометра рукой. Тогда электроны, стремясь уйти как можно дальше, переместятся с электрометра в землю.

Если теперь убрать руку и палочку, то стрелка покажет, что электрометр заряжен. На нём останется избыточный положительный заряд. Аналогично электрометр может приобрести отрицательный заряд, если поднести к нему положительно заряженную палочку.

В этом случае при заземлении на электрометре будет избыток электронов.

3. В рассмотренном выше опыте электрические заряды перемещались по электрометру. По эбонитовой палочке они не перемещались, в противном случае при касании её рукой она бы разряжалась. Из этого следует, что существуют вещества, по которым заряды могут перемещаться, и вещества, по которым заряды не могут перемещаться.

Первый класс веществ называют проводниками. Хорошими проводниками являются металлы. Это связано с тем, что в металлах существуют электроны, слабо связанные с ядром атома и имеющие возможность свободно перемещаться. Если поместить проводник в электрическое поле так, как это было в рассмотренном опыте с электрометром, то произойдёт разделение зарядов.

Второй класс веществ называют диэлектриками. К ним относятся эбонит, стекло, пластмассы и пр. В диэлектрике нет свободных зарядов. Если внести диэлектрик в электрическое поле, то нейтральный атом в нём примет определённую ориентацию, однако никакого перемещения зарядов не произойдет.

  • Примеры заданий
  • Ответы

Часть 1

1. Лёгкий незаряженный шарик из металлической фольги подвешен на тонкой шёлковой нити. При поднесении к шарику стержня с положительным электрическим зарядом (без прикосновения) шарик

1) отталкивается от стержня 2) не испытывает ни притяжения, ни отталкивания 3) на больших расстояниях притягивается к стержню, на малых расстояниях отталкивается

4) притягивается к стержню

2. К незаряженной лёгкой металлической гильзе, подвешенной на шёлковой нити, поднесли, не касаясь, положительно заряженную стеклянную палочку. На каком рисунке правильно показано поведение гильзы и распределение зарядов на ней?

3. К незаряженному электрометру поднесли положительно заряженную палочку. Какой заряд приобретут шар и стрелка электрометра?

1) шар и стрелка будут заряжены отрицательно 2) шар и стрелка будут заряжены положительно 3) на шаре будет избыточный положительный заряд, на стрелке — избыточный отрицательный заряд

4) на шаре будет избыточный отрицательный заряд, на стрелке — избыточный положительный заряд

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Как отличить диод Шоттки от обычного

4. К двум одинаковым заряженным шарикам, подвешенным на изолирующих нитях, подносят положительно заряженную стеклянную палочку. В результате положение шариков изменяется так, как показано на рисунке (пунктирными линиями указано первоначальное положение нитей). Это означает, что

1) оба шарика заряжены положительно 2) оба шарика заряжены отрицательно 3) первый шарик заряжен положительно, а второй отрицательно

4) первый шарик заряжен отрицательно, а второй положительно

5. К подвешенному на тонкой нити отрицательно заряженному шарику А поднесли, не касаясь, шарик Б. Шарик А отклонился, как показано на рисунке. Шарик Б

1) имеет отрицательный заряд 2) имеет положительный заряд 3) может быть не заряжен

4) может иметь как положительный, так и отрицательный заряд

6. К отрицательно заряженному электроскопу поднесли, не касаясь его, диэлектрическую палочку. При этом листочки электроскопа разошлись на заметно больший угол. Заряд палочки может быть

1) только положительным 2) только отрицательным 3) и положительным, и отрицательным

4) равным нулю

7. К незаряженному изолированному проводнику АБ приблизили изолированный отрицательно заряженный металлический шар. В результате листочки, подвешенные с двух сторон проводника, разошлись на некоторый угол (см. рисунок).

Распределение заряда в проводнике АБ правильно изображено на рисунке

8. На нити подвешен незаряженный металлический шарик. К нему снизу поднесли заряженную палочку. Изменится ли сила натяжения нити, и если да, то как?

1) не изменится 2) увеличится независимо от знака заряда палочки 3) уменьшится независимо от знака заряда палочки

4) увеличится или уменьшится в зависимости от знака заряда палочки

9. Из какого материала может быть сделан стержень, соединяющий электроскопы, изображённые на рисунке?

А. Сталь
Б. Стекло

1) только А 2) только Б 3) и А, и Б

4) ни А, ни Б

10. Два металлических шарика, укреплённых на изолирующей подставке, соединили металлическим стержнем. К правому шарику поднесли отрицательно заряженную палочку, затем убрали стержень и заряженную палочку. Какой заряд будет на правом и на левом шариках?

1) на правом шарике — положительный, на левом — отрицательный 2) на правом шарике — отрицательный, на левом — положительный 3) на нравом и на левом шариках — положительный

4) на правом и на левом шариках — отрицательный

11. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Вокруг электрического заряда существует электрическое поле. 2) В диэлектрике, помещенном в электрическое поле, происходит перераспределение зарядов. 3) Электрическое поле невидимо и не может быть обнаружено. 4) При электризации через влияние в проводнике происходит перераспределение зарядов.

5) Диэлектрику можно сообщить электрический заряд, поместив его в электрическое поле.

12. Электрометр с шариком на его конце помещён в поле отрицательного заряда. При этом его стрелка отклонилась на некоторый угол. Как при этом изменилось количество заряженных частиц электрометре? Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями при этом. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА A) количество протонов на шарике Б) количество электронов на шарике

B) количество электронов на стрелке

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ 1) увеличилась 2) уменьшилась

3) не изменилась

Ответы

Источник: https://fizi4ka.ru/ogje-2018-po-fizike/jelektricheskoe-pole-dejstvie-jelektricheskogo-polja-na-jelektricheskie-zarjady-provodniki-i-dijelektriki.html

Электрическое поле в диэлектрике

Если внести в электрическое поле диэлектрик, то электрическое поле изменится. Рассмотрим, как оно изменится и в чем причины его изменения.

Поляризация диэлектриков

Возьмем заряженный электрометр. Поднесем к нему пластинку из незаряженного диэлектрика. При этом показания электрометра уменьшатся. Удалим пластину, и показания электрометра восстановятся.

При приближении к электрометру проводника будет наблюдаться подобное явление. Но мы знаем, что в электрическом поле на поверхности проводника появляются индукционные заряды, которые оказывают воздействие на внешнее поле.

Из этого можно сделать вывод о том, что на диэлектрике в электрическом поле, тоже возникают заряды.

Возникновение зарядов на диэлектрическом теле приводит к появлению сил, которые действуют на диэлектрик, даже если он первоначально не был заряжен.

Повесим на тонкой нити палочку из парафина. Приблизим к ней заряженный шар (рис.1). Палочка будет поворачиваться и расположится так, что ее ось будет параллельна линии напряженности электрического поля, то есть так, что ее ось будет направлена к центру шара. Данный факт говорит о том, что на ближайшем к шару конце палочки возникают заряды по знаку противоположные заряду шара. На удаленной части палочки заряды будут одноименными с зарядами на шаре.

  • Курсовая работа 480 руб.
  • Реферат 250 руб.
  • Контрольная работа 230 руб.

Рисунок 1. Поляризация диэлектриков. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Описанные эксперименты показывают, что на изначально не заряженных диэлектриках в электрическом поле появляются электрические заряды. На телах из диэлектрика возникают электрические полюсы, в этой связи само явление было названо поляризацией диэлектриков.

Замечание 1

Заряды, появляющиеся на диэлектриках, называют поляризационными зарядами.

Поляризация диэлектриков имеет сходство с индукцией в проводниках. Но между этими явлениями есть важное различие, так:

  1. При делении на части проводника, находящегося в электрическом поле, можно отделить друг от друга индукционный заряды. Если поле убрать, разъединенные части проводника останутся заряженными.
  2. Разделив в электрическом поле диэлектрик, убрав поле, мы получим части незаряженного диэлектрика. Отделить друг от друга поляризационные заряды не представляется возможным.

Данное отличие объясняет то, что в металлах имеются электроны проводимости, которые могут перемещаться на значительные расстояния, и они несут отрицательный заряд.

В диэлектриках заряды обоих знаков являются связанными между собой и могут смещаться на очень небольшие расстояния в пределах молекулы.

Неполяризованный диэлектрик можно представить в виде совокупности молекул, каждая имеет положительные и отрицательные заряды, распределенные равномерно по объему молекулы.

В состоянии поляризации диэлектрика заряды в каждой молекуле расходятся в противоположные стороны, при этом один конец молекулы приобретает положительный заряд, другой конец — отрицательный. Молекула становится электрическим диполем.

Расхождение зарядов в молекуле проявляется как появление зарядов на диэлектрике. Не поляризованный диэлектрик можно уподобить двум тождественным объемам, которые совпадают друг с другом. Эти объемы равномерно заполнены положительными и отрицательными зарядами.

Поляризацию диэлектрика можно рассмотреть как смещение данных объемов на очень небольшое расстояние в противоположные стороны. Но внутри диэлектрика количество положительного и отрицательного заряда будет равно.

На концах диэлектрика появляются тонкие слои некомпенсированных зарядов противоположных знаков.

Напряженность электрического поля в диэлектрике

Допустим, что пробный заряд мал в сравнении с расстоянием между молекулами диэлектрика и позволяет исследовать электрическое поле внутри него.

С его помощью можно определить, что электрическое поле внутри диэлектрика от точки к точке отличается. Оно максимально около заряженных концов молекул – диполей.

Данные изменения поля происходят только в микроскопических масштабах, их невозможно экспериментально наблюдать. Определенное данным образом поле называется микроскопическим ($ \vec E_m$).

В реальных условиях эксперименты проводят с телами, размеры которых много больше, чем расстояния между молекулами. В этом случае интерес представляет усредненная по объему величина микроскопического поля, то есть макроскопическое поле. Данная средняя величина напряженности электрического поля называется напряженностью электрического поля внутри диэлектрика.

Определение 1

Напряженность электрического поля внутри диэлектрика равна:

$\vec{E}=\frac{1}{V}\int\limits_V {\vec{E}_{m}dV\left( 1 \right),}$

где $V$ — объем, содержащий большое количество молекул.

Объем $V$ должен быть большим микроскопически, то есть содержать большое число молекул. Но он должен быть малым макроскопически, то есть значение поле в этом объеме должно быть неизменным.

Исследуем поле плоского конденсатора (рис.2), в котором пространство между пластинами полностью заполнено диэлектриком.

Рисунок 2. Поле плоского конденсатора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Напряженность поля ($\vec E$) будет равна сумме двух полей:

  • поля ($\vec E_0$), которое создают заряды на обкладках конденсатора;
  • поля, которое создано поляризованным диэлектриком ($\vec E’$)

Поле $E_0$ равно:

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektricheskoe_pole_v_dielektrike/

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Электрогенератор
Что называется активным сопротивлением

Закрыть