Диэлектрики в электрическом поле кратко: Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Внесение некоторого вещества в электрическое поле может привести к существенному его изменению; это обусловлено тем, что вещество составляют заряженные частицы. Если внешнее поле отсутствует, распределение частиц вещества происходит таким образом, что электрическое поле, которое они создают, в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. Если внешнее поле присутствует, заряженные частицы перераспределяются, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле E→ включает в себя (согласно принципу суперпозиции) внешнее поле E0→ и внутреннее поле E’→ которое создается заряженными частицами вещества.

Электрические свойства веществ обуславливают их многообразие. Самые широкие классы веществ – это проводники и диэлектрики.

Проводники

Отличительная черта проводников заключается в наличии свободных зарядов (электронов), принимающих участие в тепловом движении и способных осуществлять перемещение по всему объему проводника. Типичным примером проводников служат металлы.

Определение 1

Если внешнее поле отсутствует, то в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд будет компенсироваться положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, который внесен в электрическое поле, произойдет перераспределение свободных зарядов, следствием чего будет возникновение на поверхности проводника нескомпенсированных положительных и отрицательных зарядов (рис. 1.5.1). Описанный процесс носит название электростатической индукции, а возникающие на поверхности проводника заряды называют индукционными зарядами.

Индукционными зарядами создается свое собственное поле E’→ и оно компенсирует внешнее поле E0→ во всем объеме проводника: E→=E0→+E’→=0 (внутри проводника).

Определение 2

Полное электростатическое поле внутри проводника есть нуль, а потенциалы во всех точках являются одинаковыми и равными потенциалу на поверхности проводника.

Рисунок 1.5.1. Электростатическая индукция.

Все внутренние области проводника, который внесен в электрическое поле, остаются электронейтральными. Удаление некоторого объема, выделенного внутри проводника, а соответственно образование пустой полости, приведет к тому, что электрическое поле внутри полости станет равным нулю. На этом основана электростатическая защита – приборы, имеющие чувствительность к электрическому полю в целях исключения влияния поля помещают в металлические ящики (рис. 1.5.2).

Рисунок 1.5.2. Схема электростатической защиты. Поле в металлической полости равно нулю.

Поскольку поверхность проводника эквипотенциальна, необходимо, чтобы силовые линии у поверхности являлись перпендикуляром к ней.

Диэлектрики

Диэлектрики (изоляторы) отличаются от проводников тем, что не имеют свободных электрических зарядов. Диэлектрики включают в себя нейтральные атомы или молекулы. Заряженные частицы в нейтральном атоме являются связанными друг с другом и не имеют способности к перемещению под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

Внесение диэлектрика во внешнее электрическое поле E0→ вызовет возникновение в нем некоторого перераспределения зарядов, которые входят в состав атомов или молекул. Следствием этого перераспределения является появление на поверхности диэлектрического образца избыточных нескомпенсированных связанных зарядов. Все заряженные частицы, которые образуют макроскопические связанные заряды, все так же входят в состав своих атомов.

Определение 3

Связанные заряды образуют электрическое поле E’→ направленное внутри диэлектрика противоположно вектору напряженности E0→ внешнего поля: данный процесс носит название поляризации диэлектрика.

Вследствие поляризации полное электрическое поле E→=E0→+E’→=0 внутри диэлектрика становится по модулю меньше внешнего поля E0→.

Определение 4

Диэлектрическая проницаемость вещества

– это физическая величина, которая есть отношение модуля напряженности E0→ внешнего электрического поля, создаваемого в вакууме, к модулю напряженности E→ полного поля в однородном диэлектрике.

ε=E0E.

Известно несколько механизмов поляризации диэлектриков: основные — это ориентационная и электронная поляризации. Проявление этих механизмов происходит в основном при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.

Ориентационная или дипольная поляризация появляется, когда полярные диэлектрики состоят из молекул, у которых имеет место несовпадение центов распределения положительных и отрицательных зарядов. Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи.

Определение 5

Микроскопические электрические диполи – это нейтральная совокупность двух зарядов, являющихся равными по модулю и противоположными по знаку, расположенных на расстоянии друг от друга.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

К примеру, дипольный момент имеет молекула воды, а также молекулы некоторых прочих диэлектриков (h3S, NO2 и т. д.).

Когда внешнее электрическое поле отсутствует, оси молекулярных диполей по причине теплового движения имеют хаотичную ориентацию, в связи с чем на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем является равным нулю.

Если внести диэлектрик во внешнее поле E0→, возникнет частичная ориентация молекулярных диполей. Вследствие этого поверхность диэлектрика получит нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле E’→ направленное навстречу внешнему полю E0→ (рис. 1.5.3).

Рисунок 1.5.3. Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика.

Поляризация полярных диэлектриков обладает сильной зависимостью от температуры, поскольку тепловое движение молекул выступает в качестве дезориентирующего фактора.

Электронный или упругий механизм возникает при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не имеют при отсутствии внешнего поля дипольного момента. Электрическое поле, воздействуя на молекулы неполярных диэлектриков, вызывает их деформацию – положительные заряды смещаются в направлении вектора E0→ а отрицательные – в противоположном направлении. В итоге каждая молекула становится электрическим диполем, ось которого имеет направление вдоль внешнего поля. Поверхность диэлектрика получает нескомпенсированные связанные заряды, которые создают свое поле E’→ имеющее направление навстречу внешнему полю E0→ Таким образом происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 1.5.4).

Деформация неполярных молекул, испытывающих влияние внешнего электрического поля, не имеет зависимости от теплового движения, т.е. поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры.

Пример 1

В качестве примера неполярной молекулы можно рассмотреть молекулу метана Ch5, в которой четырехкратно ионизированный ион углерода C4– расположен в центре правильной пирамиды; в вершинах этой пирамиды — ионы водорода H+. Наложение внешнего электрического поля вызовет смещение иона углерода из центра пирамиды: в этом случае у молекулы возникнет дипольный момент, пропорциональный внешнему полю.

Рисунок 1.5.4. Поляризация неполярного диэлектрика.

В электрическом поле E’→ связанных зарядов, которое возникает при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, происходит его изменение по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля E0→. В электрических полях значительной силы указанная закономерность может нарушаться: в таком случае получают проявление различные нелинейные эффекты. Для полярных диэлектриков в сильных полях возможно наблюдать эффект насыщения.

Определение 6

Эффект насыщения – это выстраивание всех молекулярных диполей вдоль силовых линий.

Когда диэлектрики неполярны, сильное внешнее поле, которое можно сравнить по модулю с внутриатомным полем, имеет возможность значимо деформировать атомы или молекулы вещества с изменением их электрических свойств. Но подобные явления почти никогда не наблюдаются, поскольку для этого необходимы поля, имеющие напряженность порядка 1010–1012 В/м. При этом гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.

Определение 7

Электронная поляризация – это процесс поляризации, при котором непарные молекулы получают деформацию электронных оболочек.

Этот механизм универсален, так как деформация электронных оболочек под влиянием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика.

Определение 8

Ионная поляризация – это поляризация твердых кристаллических диэлектриков, следствием которой является смещение ионов различных знаков, составляющих кристаллическую решетку, в противоположных направлениях при воздействии внешнего поля. В результате смещения на гранях кристалла образуются связанные (нескомпенсированные) заряды.

Пример 2

В качестве примера описанного механизма, можно рассмотреть поляризацию кристалла NaCl, в котором ионы Na+ и Cl– составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. При отсутствии внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла NaCl является электронейтральной и не обладающей дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки сместятся в противоположных направлениях, т. е. кристалл подвергнется процессу поляризации.

Когда происходит процесс поляризации неоднородного диэлектрика, связанные заряды могут появиться не только на поверхности, но и в объеме диэлектрика. В таком случае электрическое поле E’→ связанных зарядов и полное поле E→ будут обладать сложной структурой, зависящей от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле _formula_ в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем E→ точно верно лишь, когда речь идет об однородном диэлектрике, который заполняет все пространство, где создано внешнее поле. В частности:

Определение 9

В случае, когда в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд Q, напряженность электрического поля E→ этого точечного заряда и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме. Запишем данное утверждение в виде формул:

E→=14πε0·Qεr3r→, φ=14πε0Qεr.

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.

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.

Готовые работы на аналогичную тему

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:

$E_{0}=\frac{\sigma }{\varepsilon_{0}}\left( 2 \right)$.{‘}}{\varepsilon_{0}}\left( 4 \right)$.

Напряженность поля в диэлектрике совпадает с напряжённостью поля в вакууме, если поверхностная плотность заряда равна ($\sigma-\sigma’$). Разность заряда обкладок и поляризационного заряда называют свободным зарядом.

Напряженность поля внутри диэлектрика можно найти при помощи силы, которая будет действовать на пробный заряд. С этой целью представим узкую длинную щель, которую сделали внутри диэлектрика параллельно направлению смещения зарядов. Пробный заряд не будет касаться стенок полости. Поляризационные заряды возникнут только на торцах полости. При малом диаметре полости (в сравнении с ее длиной), поле, которое создают эти заряды, будет очень мало. В полости напряженность поля будем считать равной напряженности, создаваемой свободными зарядами $\sigma-\sigma’$ у внешней поверхности диэлектрика, а это напряженность поля внутри диэлектрика.

Напряженность поля в диэлектрике и напряжённость поля в нашей полости равны. Эта напряженность равна силе, которая действует на единичный положительный заряд внутри полости.

Для измерения напряженности поля внутри диэлектрика можно просто измерить напряжение между обкладками конденсатора. Тогда для плоского конденсатора напряженность найдем как:

$E=\frac{U}{d}\left( 5 \right)$,

где $U$ — разность потенциалов между обкладками; $d$ — расстояние между обкладками.

Урок 26. Лекция 26. Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Конденсаторы.

По электрическим свойствам все вещества разделяют на два больших класса — вещества, которые проводят электрический ток (проводники) и вещества, которые не проводят электрический ток (диэлектрики, или изоляторы). 

Мы знаем, что все вещества состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из заряженных частиц. Если внешнее поле вокруг вещества отсутствует, то его частицы распределяются так, что суммарное электрическое поле внутри вещества равно нулю. Если вещество поместить во внешнее электрическое поле, то поле начет действовать на заряженные частицы и они перераспределяться так, что в веществе возникнет собственное электрическое поле. Полное электрическое поле  складывается из внешнего поля  и внутреннего поля  создаваемого заряженными частицами вещества.

Проводник — это тело или материал, в котором электрические заряды начинают перемещаться под действием сколь угодно малой силы. Поэтому эти заряды называют свободными.

В металлах свободными зарядами являются электроны, в растворах и расплавах солей (кислот и щелочей) — ионы.

Диэлектрик — это тело или материал, в котором под действием сколь угодно больших сил заряды смещаются лишь на малое, не превышающее размеров атома расстояние относительно своего положения равновесия. Такие заряды называются связанными.

Рассмотрим подробнее эти классы веществ.

Проводники в электрическом поле.

Проводниками называют вещества, проводящие электрический ток.

Типичными проводниками являются металлы.

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов ( в металлах это электроны), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника.

В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды. Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.

 

   Явление перераспределения зарядов внутри проводника под действием внешнего электрического поля называется электростатической индукцией.

  Заряды, появляющиеся на поверхности проводника, называются индукционными зарядами. 

   Индукционные заряды создают свое собственное поле  , которое компенсирует внешнее поле  во всем объеме проводника:

   (внутри проводника).

   Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.

   Диэлектрики в электрическом поле.

   Диэлектриками (изоляторами) называют вещества, не проводящие электрического тока.

   В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

   При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле  в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные нескомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.

   Связанные заряды создают электрическое поле , которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности внешнего поля . Этот процесс называется поляризацией диэлектрика.

   Электрической поляризацией называют особое состояние вещества, при котором электрический момент некоторого объёма этого вещества не равен нулю.

   В результате полное электрическое поле внутри диэлектрика  оказывается по модулю меньше внешнего поля .

   Физическая величина, равная отношению модуля напряженности внешнего электрического поля в вакууме  к модулю напряженности полного поля в однородном диэлектрике , называется диэлектрической проницаемостью вещества.

 

   Диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз напряженность поля в вакууме больше, чем в диэлектрике. Это величина безразмерная (нет единиц измерения).

   При поляризации неоднородного диэлектрика связанные заряды могут возникать не только на поверхностях, но и в объеме диэлектрика. В этом случае электрическое поле связанных зарядов  и полное поле  могут иметь сложную структуру, зависящую от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле   в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем  строго справедливо только в случае однородного диэлектрика, заполняющего все пространство, в котором создано внешнее поле. В частности:

   Если в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд q, то напряженность поля , создаваемого этим зарядом в некоторой точке, и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме:

               

   Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная, электронная и ионная поляризации. Ориентационная и электронная механизмы проявляются главным образом при поляризации газообразных и жидких диэлектриков, ионная — при поляризации твердых диэлектриков.

Если двум изолированным друг от друга проводникам сообщить заряды q1 и q2, то между ними возникает некоторая разность потенциалов Δφ, зависящая от величин зарядов и геометрии проводников.

Разность потенциалов Δφ между двумя точками в электрическом поле часто называют напряжением и обозначают буквой U.

Наибольший практический интерес представляет случай, когда заряды проводников одинаковы по модулю и противоположны по знаку: q1 = – q2q. В этом случае можно ввести понятие электрической емкости.

Электроемкостью (электрической емкостью) проводников называется физическая величина, характеризующая способность проводника или системы проводников накапливать электрический заряд.

Электроемкость находится как отношение заряда q одного из проводников к разности потенциалов Δφ между ними:


 В системе СИ единица электроемкости называется фарад [Ф]: 

Величина электроемкости зависит от формы и размеров проводников и от свойств диэлектрика, разделяющего проводники.

Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле оказывается сосредоточенным (локализованным) лишь в некоторой области пространства. Такие системы называются конденсаторами, а проводники, составляющие конденсатор, называются обкладками.

Простейший конденсатор – плоский конденсаторсистема из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика.

Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между пластинами; однако, вблизи краев пластин и в окружающем пространстве также возникает сравнительно слабое электрическое поле, которое называют полем рассеяния.

В целом ряде задач можно приближенно пренебрегать полем рассеяния и полагать, что электрическое поле плоского конденсатора целиком сосредоточено между его обкладками.

Электроемкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин (обкладок) и обратно пропорциональна расстоянию между ними.

Если пространство между обкладками заполнено диэлектриком, электроемкость конденсатора увеличивается в ε раз:

Примерами конденсаторов с другой конфигурацией обкладок могут служить сферический и цилиндрический конденсаторы.

Сферический конденсатор – это система из двух концентрических проводящих сфер радиусов R1 и R2.

Цилиндрический конденсатор – система из двух соосных проводящих цилиндров радиусов R1 и R2 и длины L.

Емкости этих конденсаторов, заполненных диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε, выражаются формулами:

   — сферический конденсатор

   — цилиндрический конденсатор

Для получения заданного значения емкости конденсаторы соединяются между собой, образуя батареи конденсаторов.

1) При параллельном соединении конденсаторов соединяются их одноименно заряженные обкладки.

 

Напряжения на конденсаторах одинаковы     U1U2U,  заряды равны q1 = С1U и    q2 = С2U.

Такую систему можно рассматривать как единый конденсатор электроемкости C, заряженный зарядом qq1q2 при напряжении между обкладками равном U. Отсюда следует  или С = С1 + С2

Таким образом, при параллельном соединении электроемкости складываются.

2) При последовательном соединении конденсаторов соединяют разноименно заряженные обкладки

Заряды обоих конденсаторов одинаковы    q1q2q,  напряжения на них равны  и 

Такую систему можно рассматривать как единый конденсатор, заряженный зарядом q при напряжении между обкладками UU1U2.

Следовательно,   или  

При последовательном соединении конденсаторов складываются обратные величины емкостей.

Формулы для параллельного и последовательного соединения остаются справедливыми при любом числе конденсаторов, соединенных в батарею.

Т.е. в случае n конденсаторов одинаковой емкости С емкость батареи

при параллельном соединении Собщ = nС

при последовательном соединении Собщ = С/n

Если обкладки заряженного конденсатора замкнуть металлическим проводником, то по цепи пойдет электрический ток, лампочка загорится и будет гореть до тех пор, пока конденсатор не разрядится. Значит, заряженный конденсатор содержит запас энергии.

Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор.

Процесс зарядки конденсатора можно представить как последовательный перенос достаточно малых порций заряда Δq > 0 с одной обкладки на другую.При этом одна обкладка постепенно заряжается положительным зарядом, а другая – отрицательным. Поскольку каждая порция переносится в условиях, когда на обкладках уже имеется некоторый заряд q, а между ними существует некоторая разность потенциалов

   

при переносе каждой порции Δq внешние силы должны совершить работу

   

Энергия We конденсатора емкости C, заряженного зарядом q, может быть найдена путем интегрирования этого выражения в пределах от 0 до q:

   

Формулу, выражающую энергию заряженного конденсатора, можно переписать в другой эквивалентной форме, если воспользоваться соотношением qCU.

   

Электрическую энергию We следует рассматривать как потенциальную энергию, запасенную в заряженном конденсаторе.

По современным представлениям, электрическая энергия конденсатора локализована в пространстве между обкладками конденсатора, то есть в электрическом поле. Поэтому ее называют энергией электрического поля.

Диэлектрики в электрическом поле. Поляризация диэлектриков | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Тема:

Диэлектрики

Укрепим на стержне электрометра метал­лический диск и зарядим его. Наличие за­ряда на диске засвидетельствует отклонение стрелки электрометра (рис. 4.42). Поднесем к диску пластину любого диэлектрика. По­казания стрелки гальванометра уменьшатся (рис. 4.43). Аналогичного эффекта достигнем и тогда, когда к диску поднесем заряженное тело, знак заряда которого противополож­ный заряду диска. Итак, под действием электрического поля диска пластина заря­жается.

Выясним природу зарядки диэлектричес­кой пластины.

Диэлектрики, в отличие от проводников, не имеют свободных частиц с электрическими зарядами. Образуя молекулы, атомы диэлектрика обмениваются электронами, но не теряют с ними связи. Если диэлектрик разместить в электрическом поле, то измене­нию подвергнутся сами молекулы. Эти изме­нения имеют электрическую природу, но для разных диэлектриков они будут разными. Это зависит от строения молекул диэлект­рика.

В электрическом поле проис­ходят изменения в молекулах диэлектрика.

Рис. 4.42. Металлическая пластина на стержне электрометра имеет электри­ческий заряд
Рис. 4.43. Действие диэлектрика на за­ряженную пластину

Часть диэлектриков имеет так называе­мые полярные молекулы, в которых поло­жительно и отрицательно заряженные ча­стицы смещены относительно центра моле­кулы (рис. 4.44). При отсутствии электри­ческого поля внешнего происхождения все молекулы размещены хаотически в соответ­ствии с принципом минимума потенциаль­ной энергии взаимодействия (рис. 4.45) и совершают тепловое колебательное движе­ние. При помещении диэлектрика во внеш­нем электрическом поле происходит ориен­тация молекул вдоль линий напряженности электрического поля (рис. 4.46). Итак, в диэлектрике появляется определенная упо­рядоченность в размещении молекул таким образом, что в одном направлении преоб­ладают отрицательно заряженные частички, а в другом — положительно. Такое состояние диэлектрика называется поляризацией.

Рис. 4.44. Полярные молекулы
Рис. 4.45. Расположение молекул в ди­электрике при отсутствии внешнего электрического поля
Рис. 4.46. Действия электрического по­ля на полярные молекулы диэлектрика

Если же диэлектрик имеет не полярные молекулы, то под действием электрического поля электроны в атомах и их орбиты сме­щаются против направления вектора напря­женности и образуют диполи, ориентиро­ванные определенным образом в электри­ческом поле. Вследствие такой «деформа­ции» атомов и молекул диэлектрик также поляризуется. Материал с сайта http://worldofschool.ru

Рис. 4.47. Диэлектрик ослабляет элект­рическое поле

Поляризация диэлектриков приводит к появлению в них дополнительного электрического поля напряженностью E̅’, направление которой будет противоположным направлению вектора напряженности 0 внеш­него электрического поля (рис. 4.47).

Соответственно напряженность электри­ческого поля в диэлектрике будет меньше, чем напряженность внешнего поля.

E = E0 — E’,

E < E0.

На этой странице материал по темам:
  • Задачи по поляризации диэлектриков

  • Диэлектрики в электрическом поле физика

  • Поляризация диэлектриков шпора

  • Отклонение диэлектриков в электрическом поле

  • Диэлектрики в электрическом поле поляризация диэлектриков

Вопросы по этому материалу:
  • Какова особенность строения диэлектриков?

  • Какое явление наблюдается при внесении диэлектрика в элект­рическое поле?

  • Почему в обычных условиях диэлектрик не имеет электри­ческого поля?

  • Что происходит при поляризации диэлектриков?

  • Как изменяется напряженность электрического поля в диэлект­рике при его поляризации?

Диэлектрик в электрическом поле — Справочник химика 21

    Качанов Э. С., Качанов Ю. С., Скачков А. Е. Электрические методы очистки и контроля качества топлив. Л. Судостроение, 1990. 310 с. Скачков А. Е. Исследование поведения жидких неоднородных диэлектриков в электрических полях высокой напряженности. Автореф. дисс. канд. хим. наук. Л. ЛТИ им. Ленсовета. 1974. [c.110]

    Известно, что при помещении диэлектрика в электрическое поле в нем наблюдаются следующие явления. [c.129]


    Исходя из этого, диэлектрик в электрическом поле представ ляется составленным из отдельных элементарных областей — диполей, ориентированных в одном направлении. Таким образом, поляризацию диэлектриков можно определить как состояние вещества, характеризующееся наличием дипольного момента у конечного по размерам элемента его объема, взятого в любом месте диэлектрика. [c.130]

    Диэлектрик в электрическом поле………… [c.265]

    Распределение зарядов внутри молекул диэлектрика может быть различное и оно существенно влияет на поведение диэлектрика в электрическом поле. Диэлектрики делят на две группы неполярные и полярные. [c.53]

    Рассмотрим некоторые количественные характеристики изотропного диэлектрика. Как уже отмечалось, молекулы диэлектрика в электрическом поле поляризуются, т. е. приобретают направленный по полю индуцированный дипольный момент. В случае полярных молекул наблюдается также преимущественная ориентация постоянных дипольных моментов в направлении поля (рис. IV. 21, а). [c.209]

    Преломление линий электрического смещения и магнитной индукции. Поведение линий электрического смещения. При размещении двух диэлектриков в электрическом поле в каждом из них вблизи поверхности раздела появятся поляризационные заряды (рис. 23). При этом заряды на каждом диэлектрике будут иметь противоположные знаки и различные плотности 0 и 02. Поэтому граница раздела окажется заряженной с поверхностной плотностью заряда 0 —Ог, отчего появится дополнительное электрическое поле. Это поле перпендикулярно к границе, равно О] — [c.47]

    Объяснение этого опыта классическая физика сводит к следующему факту. На поверхности шарика появляются поляризационные заряды с определенной поверхностной плотностью G, а на границе шарика со средой — поляризационные заряды противоположного знака с плотностью G2. В результате сила, действующая на поверхность шарика, зависит от результирующего заряда G —(J2. Поэтому если диэлектрическая проницаемость среды ei>62, то G >G2, а при eiсила притяжения переходит в силу отталкивания. Вследствие поляризации на каждый элемент объема диэлектрика действуют силы, а поэтому диэлектрики в электрическом поле деформируются. Это явление получило название электрострикции. [c.49]

    Если процесс релаксации диэлектрика в электрическом поле описывается одним временем релаксации, то зависимость е от частоты и 6а выражается формулами [c.58]


    Аналогично ведет себя и диэлектрик в электрическом поле [c.169]

    Особо следует отметить, что, используя диэлектрический нагрев, удалось вспучивать материалы, не вспучиваемые обычно при традиционном внешнем нагреве. Приведенный пример лишь одна из иллюстраций возможного использования токов высокой частоты в материаловедении. В настоящее время возможности высокочастотной электротермии чрезвычайно велики. При помощи токов высокой частоты можно нагревать любые материалы до любой температуры за заданное время. Проводники нагреваются в индукторах (индукционный метод), а диэлектрики — в электрическом поле высокой частоты при помощи конденсаторов (диэлектрический метод). Кроме этих двух методов все большее значение для технологических целей приобретает нагрев при бесконтактной передаче сверхвысокочастотных колебаний от волновода или рупорной антенны к объекту нагрева. Переход от коротковолнового диапазона частот тока к сантиметровому (сверхвысокочастотному) приводит к качественному скачку энергия электрического поля поглощается эффективно даже теми материалами, которые трудно нагреть в поле тока высокой частоты. Высокие коэффициенты использования энергии при сверхвысокочастотном нагреве (около 70% электроэнергии, потребляемой от сети СВЧ генератором, преобразуется в теплоту) выдвигают этот метод в число самых перспективных, особенно если учесть возможность создания генераторов мощностью в сотни и тысячи киловатт. [c.327]

    К вопросу о вычислении объемной плотности силы, действующей на диэлектрик в электрическом поле, можно подойти и с другой точки зрения, выражая ее не через фактически существующее поле, а через то поле Е, которое создавалось бы заданными источниками в отсутствие диэлектрика. При этом предполагается, что распределение зарядов, создающих поле, не меняется при внесении тела в поле. [c.182]

    Выше уже говорилось о том, что при внесении диэлектрика в электрическое поле ориентация диполей происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени. Если выключить электрическое поле, то вследствие теплового движения спустя некоторое время т поляризация диэлектрика уменьшится в е раз. Это явление получило название диэлектрической релаксации, а время т называется временем диэлектрической релаксации. Очевидно, что поляризуемость молекул диэлектрика а (а следовательно, параметры х и е), помещенного в периодически изменяющееся электрическое поле, должна зависеть от периода изменения этого поля 7 = 2я/0, времени релаксации т и соотношения между Т (или со) и т. Наиболее удачная теория диэлектрической релаксации была разработана Дебаем для полярных жидкостей. Он дал следующее выражение для поляризуемости, обусловленной ориентацией молекул  [c.181]

    При внесении диэлектрика в электрическое поле центры тяжести положительных и отрицательных зарядов смещаются относительно своих равновесных положений. Возникает электрическая поляризация среды. Система, состоящая из равных по величине положительного и отрицательного зарядов, расположенных на расстоянии л друг от друга, называется электрическим диполем, который характеризуется дипольным моментом  [c.18]

    На основании представлений о поляризации атомов и молекул вещества (диэлектрика) в электрическом поле можно прийти к заключению, что функция (п) имеет вид  [c.106]

    Поведение диэлектрика в электрическом поле характеризуется величиной его диэлектрической постоянной е. [c.171]

    Как видно из (1. 10), величина D пропорциональна Е, причем коэффициентом пропорциональности является величина статической диэлектрической проницаемости. Разница между D н Е зависит от степени поляризуемости диэлектрика в электрическом поле. [c.8]

    Дальнейшее рассмотрение вектора поляризации диэлектрика р требует использования молекулярных представлений. Чтобы связать макроскопическое поведение диэлектрика со свойствами отдельных его молекул и установить механизм поляризации, необходимо выяснить, как будет вести себя изолированная нейтральная молекула диэлектрика в электрическом поле. С этой точки зрения все диэлектрики могут быть разделены на неполярные и полярные. У первых молекулы обладают электрической симметрией, центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают. Полярные же диэлектрики построены из электрически асимметричных молекул, у которых центры тяжести положительных и отрицательных зарядов находятся на некотором расстоянии I друг от друга и образуют электрический диполь. Таким образом, неполярные молекулы в отсутствие поля не обладают дипольным моментом, а полярные имеют независимо от поля постоянный дипольный момент. [c.8]

    Из сказанного следует, что появление индуцированных дипольных моментов в молекуле диэлектрика в электрическом поле обусловлено локальным полем. Тогда уравнение (I. 12) должно быть заменено следующим  [c.10]


    Дебай, пользуясь статистической теорией ориентации, впервые разработанной Ланжевеном [15] для постоянных магнитных моментов парамагнитных тел, положил начало теории поведения полярных диэлектриков в электрическом поле. Рассмотрим кратко основные положения этой теории. При этом будем иметь в виду, что при упрощенных расчетах допускаются следующие приближения поле не оказывает возмущающего действия на величину дипольного момента fio молекулы, диполи могут занимать любое положение относительно направления приложенного поля и, наконец, энергия дипольного воздействия незначительна по сравнению с энергией теплового движения (т. е. плотность газа очень мала). [c.18]

    Выще мы уже отметили, что поляризация диэлектрика в электрическом поле обладает некоторой инерцией. При наложении внещнего электрического поля молекулярная поляризация диэлектрика достигает своего статического значения не мгновенно, а через определенное время. Если внезапно снять электрическое поле, спад поляризации, вызванный тепловым движением молекул, также происходит постепенно. Тепловое движение, вызывая перераспределение ориентаций молекул, постепенно возвращает диэлектрик к исходному состоянию, отвечающему равномерному распределению в отсутствие внешнего электрического поля. [c.31]

    Диэлектрическая проницаемость (относительная) непроводящих материалов представляет собой отношение емкостей плоского конденсатора, измеренных при наличии и отсутствии данного диэлектрика между пластинами конденсатора. Различие между емкостями в двух указанных случаях обусловлено явлением поляризации диэлектрика в электрическом поле. [c.211]

    На основании теории о поляризации атомов и молекул веществ (диэлектрика) в электрическом поле можно показать, что f (л) имеет вид [c.587]

    Наведенные диполи возникают только при внесении диэлектрика в электрическое поле. Под влиянием последнего в неполярных молекулах диэлектрика происходит смещение зарядов, их распределение становится несимметричным, т. е. появляются индуцированные диполи. Момент т каждого из этих диполей пропорционален напряженности приложенного поля Е  [c.247]

    Процессы, в которых равновесие устанавливается во времени, называются релаксационными. К ним относятся выравнивание неравномерно распределенной концентрации растворенного вещества в результате диффузии, ориентация молекул диэлектрика в электрическом поле или обратный переход ориентированных диполей к хаотическому распределению после удаления внешнего электрического поля (см. гл. 9), а также процесс развития высокоэластической деформации. [c.142]

    Различный характер распределения электрического заряда в молекулах позволяет разделить их на два основных класса — полярные и неполярные. К полярным молекулам относятся молекулы, обладающие важной электрической характеристикой— дипольным моментом. В 1912 г. П. Дебай впервые ввел представление о диполь-ном моменте как о величине, определяющей разделение положительных и отрицательных зарядов в молекуле. Им создана теория поляризации диэлектриков в электрическом поле и разработаны экспериментальные методы измерения дипольных моментов молекул в газовой фазе и в растворе. До сих пор эти методы являются основными для определения дипольных моментов. Однако методы Дебая имеют некоторые ограничения, так как не позволяют изучать труднолетучие соединения, например соли и оксиды металлов, или неустойчивые соединения. [c.58]

    ДИЭЛЕКТРИК В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ [c.68]

    При помещении диэлектрика в электрическое поле объем диэлектрика приобретает отличный от нуля электрический момент, т. е. диэлектрик поляризуется. Поляризация диэлектрика обусловлена действием пяти независимых механизмов [92] 1) электронное смещение 2) атомное (ионное) смещение, которое наблюдается в молекулах с гетерополярными связями 3) дипольная, или ориентационная, поляризация 4) трансляционная поляризация (ионные перебросы) 5) макроскопическая поляризация, свойственная системам с неоднородной структурой (образование заряженных слоев на границах раздела неоднородностей), [c.34]

    Методы статистической термодинамики необратимых процессов позволяют в общем виде решить задачу об изменении термодинамических свойств вещества под действием переменного внешнего поля. Типичным примером такого рода процессов могут служить поляризация диэлектрика в электрическом поле и намагничивание в магнитном поле. Поляризация, как правило, пропорциональна напряженности поля, поэтому ее можно назвать линейным откликом диэлектрика на внешнее поле. Задачей теории линейного отклика как раз и является вычисление изменения термодинамических характеристик, пропорциональных напряженности действующего поля. [c.207]

    Это уравнение схематически может быть выведено из теории Максвелла следующим образом. Поместим диэлектрик в электрическое поле напряженностью Е. Под его влиянием в веществе произойдет смещение зарядов—поляризация (Р), пропорциональная величине этого поля  [c.9]

    Диэлектрическая постоянная применяется для расчета угла потерь, а также для обычного типа расчетов при наличии в последовательном соединении различных изоляционных материалов. Коэффициент потерь зависит от величины диэлектрических потерь (фактора мощности) и диэлектрической постоянной и может быть определен как относительная тенденция изоляционного материала поглощать энергию при использовании этого материала в качестве диэлектрика в электрическом поле переменного тока при заданной частоте. [c.281]

    Сжатие электролитов легко попять как проявление электрострикции. Так нагывается наблюдаемое на опыте сжатие диэлектриков в электрическом поле. Это явление противоположно пьезоэлектрическому эффекту. Очевидно, сжатие растворителя особенно велико вблизи поверхности иона, где электри-ческо ) поле достигает огромных величии, сжатие убывает в участках растворителя, более удаленных от иона, Используя теорию электрострикции, можно рассчитать распределение эффективного дополнительного давления вокруг иоиа этим давлением можно заменить электростатические силы так, чтобы возни сжатие растворителя. Это давление на расстояниях от центра иона, лежащих между 0,8 и 12 А, изменяется от 5-10 до 0,5 бар (1 ба з= 10 н/л4 яс1 атм). Расчет сжатия под этими давлениями с учетом поляризации дает велич11Ны одного порядка с опытными. [c.419]

    Всякий > агнетик, находящийся в магнитном поле, точно так же, как диэлектрик в электрическом поле, приходит в особое состояние— намагничивается. В таком состоянии магнетик имеет добавочную напряженность магнитного поля Я, которая складывается с напряженностью [c.286]

    Из этой формулы выводят выражение для комплексной диэлект рической проницаемости среды, которая характеризует поведение диэлектрика в электрическом поле и изменяется при изменении физических параметров диэлектрика (например, влажности) [c.584]

    Электризация диэлектриков в электрическом поле высокой напряленности (электроэлектреты) обусловлена пробоем воздушного зазора, имеющегося между диэлектриком и электро- [c.192]


Проводники и диэлектрики в электростатическом поле

Как вы знаете из курса физики восьмого класса, все тела можно классифицировать, в соответствии с их способностью проводить электрический ток. Тело может являться проводником, полупроводником или диэлектриком. Проводниками называют тела, проводящие электричество, а диэлектриками называют тела, не проводящие электричество.

Полупроводники — это тела, которые меняют свои свойства проводимости в зависимости от внешних условий. Но о полупроводниках мы поговорим позже, а сегодня мы рассмотрим проводники и диэлектрики. Рассмотрим, что происходит с проводником, помещенным в электростатическое поле. Конечно, к проводникам, в первую очередь, относятся металлы, в которых существуют, так называемые, свободные заряды. Свободные заряды — это электрические заряды, способные перемещаться внутри проводника. Как вы знаете, в металлах наблюдается металлическая связь. Нейтральные атомы металла начинают взаимодействовать друг с другом, в результате чего, некоторые электроны отрываются от атомов и становятся свободными. Эти электроны начинают участвовать в тепловом движении и могут перемещаться по всему проводнику в случайных направлениях. Иными словами, свободные электроны в проводнике ведут себя подобно молекулам газа. Поскольку все атомы изначально электрически нейтральны, если они теряют электрон, они становятся положительно заряженными ионами.

Таким образом, в проводниках наблюдается следующая картина: положительно заряженные ионы оказываются окружены так называемым электронным газом. Конечно, не надо думать, что электроны образуют какой-то реальный газ. Просто их движение очень напоминает хаотическое движение молекул газа.

Рассмотрим случай, когда металлический проводник находится в однородном электростатическом поле.

Как вы знаете, под действием электрического поля свободные электроны приходят в упорядоченное движение (то есть, в проводнике возникает электрический ток). В результате одна сторона проводника заряжается отрицательно, а другая — положительно. Это явление называется электростатической индукцией. То есть электростатическая индукция — это явление наведения собственного электростатического поля под воздействием внешнего электрического поля.

Итак, из-за электростатической индукции, возникает другое электростатическое поле, создаваемое появившимися зарядами. По принципу суперпозиции полей, это поле накладывается на внешнее поле и компенсирует его. Из этого мы можем сделать очень важный вывод: напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю:

Этот факт используется для создания электростатической защиты: чувствительные к электрическому полю приборы, помещаются в металлические ящики. В настоящее время даже некоторые виды спецодежды включают в себя современные электропроводящие материалы, которые создают внутри костюма замкнутое пространство, защищенное от воздействия электрических полей.

Впервые, эксперимент, подтверждающий отсутствие электростатического поля внутри проводника, провел Майкл Фарадей еще в 1836 году. По его указанию большую деревянную клетку оклеили листами оловянной фольги (которая является проводником). Предварительно клетку изолировали от земли и сильно зарядили ее (так что при приближении к ней тел, с ее поверхности вылетали искры).

Тем не менее, сам Фарадей совершенно спокойно находился внутри данной клетки. Более того, в его руках был исправный электроскоп, который показывал полное отсутствие электрического поля. Впоследствии, подобные конструкции получили название «клетка Фарадея».

Необходимо отметить еще один важный факт: вблизи поверхности (вне проводника) линии напряженности электростатического поля перпендикулярны этой поверхности.

Если бы это было не так, и какая-то линия напряженности была бы не перпендикулярна поверхности, то это привело бы к движению свободных зарядов. Такое движение продолжается до тех пор, пока все силовые линии не станут перпендикулярны поверхности проводника. Надо сказать, что весь статический заряд любого проводника находится на поверхности этого проводника. В этом легко убедиться, поскольку мы уже выяснили, что напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю. Следовательно, внутри проводника никакого заряда нет, поскольку в противном случае, он создавал бы отличную от нуля напряженность.

Теперь давайте поговорим о диэлектриках. Диэлектрики в электростатическом поле ведут себя иначе, чем проводники. Диэлектрики, наоборот, не проводят ток, но внутри них может существовать электрическое поле.

Дело в том, что в диэлектриках не возникают свободные заряды, поскольку между ядрами атомов и электронами существует довольно сильная связь. Приведем два классических примера распределения электрического заряда. Как вы знаете, ядро водорода состоит из одного протона, а вокруг этого протона вращается один электрон. В целом, атом электрически нейтрален. Электрон вращается вокруг протона с очень большой скоростью: за одну секунду он делает порядка 1015 оборотов. Это говорит нам о том, что каждую микросекунду электрон оказывается в любой точке своей орбиты миллионы раз. Поэтому, смело можно считать, что в среднем по времени центр распределения отрицательного заряда находится в центре атома, то есть совпадает с положительно заряженным ядром.

Тем не менее, есть и другие случаи. Например, молекула поваренной соли состоит из атома натрия и атома хлора. Из курса химии вы знаете, что атом хлора имеет 7 валентных электронов, а у атома натрия всего один валентный электрон. Поэтому, в процессе образования молекулы, атом хлора захватывает электрон натрия, в результате чего образуется система из двух ионов. Теперь центр распределения отрицательного заряда приходится на ион хлора, а центр распределения положительного заряда приходится на ион натрия. Тем не менее, в целом молекула остается электрически нейтральна. Подобные системы называются электрическими диполями.

Электрический диполь

В связи с этим, разделяют два вида диэлектриков: неполярные и полярные. Неполярные диэлектрики — это диэлектрики, состоящие из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают.

И наоборот, полярными диэлектриками называются диэлектрики, состоящие из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

О поляризации диэлектриков мы поговорим более подробно в одном из следующих уроков. А сейчас давайте рассмотрим величину, характеризующую свойство диэлектрической среды, которая называется диэлектрической проницаемостью. Эта величина показывает, во сколько раз кулоновская сила взаимодействия между двумя точечными зарядами в данной среде меньше, чем кулоновская сила взаимодействия этих же зарядов в вакууме:

Таким образом, мы можем записать закон кулона для произвольной среды:

В формулу добавляется диэлектрическая проницаемость, то есть, характеристика среды. Диэлектрические проницаемости многих сред измерены и сведены в таблицы. Эти величины измерены экспериментально, например, с помощью измерения кулоновских сил тех же зарядов в различных средах.

5.5. Диэлектрики в электрическом поле

Количественная характеристика поляризации — вектор по-

ляризации, определяемый дипольным моментом единицы объема диэлектрика

 

 

n G

 

pG

 

∑ pi

 

=

i=1

.

(5.16)

 

 

 

V

 

Для изотропного диэлектрика

 

рG =χε0E,

(5.17)

где χ — относительная диэлектрическая восприимчивость диэлектрика.

Если поместить полярный диэлектрик во внешнее однородное электрическое поле, то под его действием каждая молекула диэлектрика будет ориентироваться так, чтобы ее дипольный момент был сонаправлен с напряженностью поля. Строгой ориентации дипольных молекул препятствует их тепловое хаотичное движение. Так происходит дипольная или ориентационная поляризация.

Если во внешнее поле поместить неполярный диэлектрик, то в его молекулах под действием поля произойдет смещение отрицательных и положительных зарядов относительно друг друга. Молекулы становятся диполями, оси которых ориентированы вдоль поля, — электронная поляризация.

Если во внешнее поле поместить ионный диэлектрик, то под действием поля произойдет смещение ионов, приводящее к возникновению дипольных моментов, — ионная поляризация.

Некоторые кристаллы, например кварц, поляризуются при механической деформации, внутри кристалла возникает электрическое поле. Такое явление получило название пьезоэлектрический эффект, а обратный эффект — электрострикция, когда во внешнем электрическом поле пластинка пьезоэлектрика деформируется.

Для установления количественных закономерностей поля в диэлектрикеG в однородное внешнее электрическое поле напряженно-

стью E0 необходимо внести пластинку из однородного диэлектрика.

Под действием поля диэлектрик поляризуется, т.е. происходит смещение зарядов: положительные смещаются по полю, отрицательные — против поля. В результате этого на правой грани диэлектрика

Диэлектрики – Гиперучебник по физике

Обсуждение

основная идея

Диэлектрики — простые изоляторы. Эти два слова относятся к одному и тому же классу материалов, но имеют разное происхождение и преимущественно используются в разных контекстах.

  • Поскольку заряды, как правило, не могут легко перемещаться в неметаллических твердых телах, в стекле, керамике и пластике могут образовываться «островки» заряда. Латинское слово для острова insula , которое является источником слова изолятор .Напротив, заряды в твердых металлических телах имеют тенденцию легко двигаться — как будто их кто-то или что-то ведет. Латинская приставка con или com означает «с». Человек, с которым вы едите хлеб, является компаньоном. (На латыни хлеб — panis .) Взять что-то с собой в дорогу — значит передать это. (Латинское слово «дорога» — через .) Человек, с которым вы путешествуете и который ведет вас вперед или обеспечивает безопасный проход, является проводником. (Латинское слово «лидер» — ductor .) Материалом, обеспечивающим безопасное прохождение электрических зарядов, является проводник .
  • Вставка твердого неметаллического слоя между пластинами конденсатора увеличивает его емкость. Греческий префикс di или dia означает «поперек». Линия, проведенная через углы прямоугольника, является диагональю. (Греческое слово для обозначения угла — gonia — γωνία.) Измерение поперек круга — это диаметр. (Греческое слово, обозначающее меру, — метрон — μέτρον.) Материал, помещенный поперек пластин конденсатора наподобие маленького непроводящего моста, представляет собой диэлектрик .

Пластиковое покрытие на электрическом шнуре является изолятором. Стеклянные или керамические пластины, используемые для поддержки линий электропередач и предотвращения их короткого замыкания на землю, являются изоляторами. Почти каждый раз, когда неметаллическое твердое вещество используется в электрическом устройстве, оно называется изолятором. Возможно, слово «диэлектрик» используется только в отношении непроводящего слоя конденсатора.

Диэлектрики в конденсаторах служат трем целям:

  1. для предотвращения соприкосновения проводящих пластин, что позволяет уменьшить расстояние между пластинами и, следовательно, повысить емкость;
  2. для увеличения эффективной емкости за счет уменьшения напряженности электрического поля, а значит, вы получаете тот же заряд при более низком напряжении; и
  3. , чтобы уменьшить вероятность короткого замыкания из-за искрения (более формально известного как пробой диэлектрика) во время работы при высоком напряжении.

что здесь происходит

Когда металл помещается в электрическое поле, свободные электроны текут против поля до тех пор, пока у них не закончится проводящий материал. Совсем скоро у нас будет избыток электронов с одной стороны и дефицит с другой. Одна сторона проводника заряжена отрицательно, а другая положительно. Отпустите поле, и электроны на отрицательно заряженной стороне теперь окажутся слишком близко для комфорта. Одинаковые заряды отталкиваются, а электроны убегают друг от друга так быстро, как только могут, пока не распределятся равномерно по всему телу; в среднем один электрон на каждый протон в пространстве, окружающем каждый атом.Проводящий электрон в металле подобен беговой собаке, отгороженной на пастбище. Они вольны бродить сколько угодно и могут по своей прихоти бегать по всей длине, ширине и глубине металла.

Жизнь электрона в изоляторе гораздо более ограничена. По определению заряды в изоляторе не могут свободно перемещаться. Это не то же самое, что сказать, что они не могут двигаться. Электрон в изоляторе подобен сторожевой собаке, привязанной к дереву: он может свободно передвигаться, но в определенных пределах.Поместить электроны изолятора в электрическое поле — все равно, что поместить привязанную собаку в присутствии почтальона. Электроны будут напрягаться против поля, насколько это возможно, почти так же, как наша гипотетическая собака будет напрягаться на своем поводке, насколько это возможно. Однако электроны в атомном масштабе больше похожи на облака, чем на собак. Электрон эффективно распределен по всему объему атома и не концентрируется в каком-то одном месте. Я полагаю, хорошую атомную собаку не назвали бы Спот.

Когда атомы или молекулы диэлектрика помещаются во внешнее электрическое поле, ядра толкаются полем, что приводит к увеличению положительного заряда с одной стороны, в то время как электронные облака притягиваются к нему, что приводит к увеличению отрицательного заряда с другой стороны. сторона. Этот процесс известен как поляризация , а диэлектрический материал в таком состоянии называется поляризованным . Существует два основных метода поляризации диэлектрика: растяжение и вращение.

Растяжение атома или молекулы приводит к индуцированному дипольному моменту , добавляемому к каждому атому или молекуле.

Увеличить

Вращение происходит только в полярных молекулах — с постоянным дипольным моментом , как у молекулы воды, показанной на диаграмме ниже.

Увеличить

Полярные молекулы обычно поляризуются сильнее, чем неполярные. Вода (полярная молекула) имеет диэлектрическую прочность в 80 раз больше, чем азот (неполярная молекула, которая является основным компонентом воздуха).Это происходит по двум причинам, одна из которых обычно тривиальна. Во-первых, все молекулы растягиваются в электрическом поле независимо от того, вращаются они или нет. Неполярные молекулы и атомы растягиваются, а полярные молекулы растягиваются на и вращаются. Однако эта комбинация действий оказывает лишь незначительное влияние на общую степень поляризации вещества. Важнее то, что полярные молекулы уже сильно растянуты — естественно. То, как атомы водорода сидят на плечах электронных облаков атома кислорода, искажает молекулу в диполь.Все это происходит на межатомном или молекулярном уровне. При таких крошечных расстояниях напряженность электрического поля относительно велика для того, что в противном случае было бы ничем не примечательным напряжением (например, 13,6 В для электрона в атоме водорода).

Растяжка и вращение — это еще не все, что касается поляризации. Это всего лишь методы, которые проще всего описать случайному наблюдателю. В общем, поляризация диэлектрического материала представляет собой микроскопическую электростатическую деформацию в ответ на макроскопическую электростатическую нагрузку.Внешнее поле, приложенное к диэлектрику, не может заставить заряды двигаться макроскопически, но может растянуть и исказить их микроскопически. Он может толкнуть их в неудобное положение, а при отпускании позволить им вернуться в расслабленное состояние. То, что отличает поляризацию в изоляторе от растяжения упругого тела, подобного пружине, заключается в том, что устранение напряжения не обязательно снимает напряжение. Некоторые изоляторы остаются в поляризованном состоянии часами, днями, годами и даже веками.Самые длинные характерные времена должны быть экстраполированы из неполных наблюдений более разумной продолжительности. Никто не собирается сидеть и ждать две тысячи лет, пока поляризация куска пластика не сократится до нуля. Это не стоит ждать.

Наконец, важно помнить, что заряды, «хранящиеся» в диэлектрическом слое, не доступны в виде пула свободных зарядов. Для их извлечения вам еще понадобятся металлические пластины. Важно помнить, что единственная причина, по которой кого-то волнует это явление, заключается в том, что оно помогает нам делать более качественные конденсаторы.Думаю, на этом дискуссия должна завершиться.

конденсаторы с диэлектриками

Поместите слой диэлектрика между двумя параллельными заряженными металлическими пластинами с направлением электрического поля справа налево. (Почему не слева направо? Ну, я читаю справа налево, поэтому диаграммы мне легче «читать».) Положительные ядра диэлектрика будут двигаться с полем вправо, а отрицательные электроны переместит против поля влево.Силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах, поэтому электрическое поле внутри каждого находящегося под напряжением атома или молекулы диэлектрика указывает на нашей диаграмме слева направо — противоположно внешнему полю двух металлических пластин. Электрическое поле является векторной величиной, и когда два вектора указывают в противоположных направлениях, вы вычитаете их величины, чтобы получить равнодействующую. Два поля в диэлектрике не полностью нейтрализуются, как в металле, поэтому общий результат — более слабое электрическое поле между двумя пластинами.

Увеличить

Позвольте мне повторить это — общий результат — более слабое электрическое поле между двумя пластинами. Давайте займемся математикой.

Электрическое поле — это градиент электрического потенциала (более известный как напряжение).

E x  = —  В    
x
E y  = —  В ⇒  E  = − ∇ В
г
E z  = —  В    
я

Емкость – это отношение заряда к напряжению.

Введение диэлектрика в конденсатор уменьшает электрическое поле, что снижает напряжение, что увеличивает емкость.

С  ∝  1  ( Q  константа) ⇒  С    ( d , Q  константа)
В 1
В E  ( d  константа) Е
 

Конденсатор с диэлектриком сохраняет тот же заряд, что и конденсатор без диэлектрика, но при более низком напряжении.Поэтому конденсатор с диэлектриком более эффективен.

ЭТА МАЛЕНЬКАЯ ЧАСТЬ НУЖНА ПОРАБОТЫ.

О первых открытиях лейденской банки. Удаление стержня снижает емкость. (Диэлектрическая проницаемость воздуха ниже, чем у воды.) Напряжение и емкость обратно пропорциональны, когда заряд постоянен. Уменьшение емкости увеличивает напряжение.

восприимчивость, диэлектрическая проницаемость, диэлектрическая проницаемость

Электрический дипольный момент чего угодно — будь то атом, растянутый во внешнем электрическом поле, полярная молекула или две противоположно заряженные металлические сферы — определяется как произведение заряда и разделения.

p  =  q   r

с единицей СИ кулон-метр , который не имеет специального названия.

[см = см]

Поляризация области определяется как дипольный момент на единицу объема

с единицей СИ кулонов на квадратный метр .



См  =  С

м 3 м 2

Вычисление поляризации из первых принципов — сложная процедура, которую лучше доверить экспертам.Не беспокойтесь о деталях того, почему поляризация имеет такое значение, просто примите, что она существует и является функцией некоторых переменных. И что это за переменные? Почему они материалы и напряженность поля, конечно. Различные материалы поляризуются в разной степени — мы будем использовать греческую букву χ e [хи-суб-э] для обозначения этой величины, известной как электрическая восприимчивость, — но для большинства материалов чем сильнее поле ( E ) , тем больше поляризация ( P ).Добавьте константу пропорциональности ε 0 , и все готово.

P  = ε 0 χ e E

Электрическая восприимчивость — это безразмерный параметр, который зависит от материала. Его значение варьируется от 0 для пустого места до любого. Бьюсь об заклад, есть даже некоторые причудливые материалы, для которых этот коэффициент отрицательный (хотя я точно не знаю). Константа пропорциональности ε 0 [эпсилон ноль] известна как диэлектрическая проницаемость свободного пространства и будет обсуждаться чуть позже.Пока это просто устройство для того, чтобы заставить единицы работать.



С  =  С 2   Н

м 2 Н·м 2 С

НАПИШИТЕ ОСТАЛЬНОЕ.

Величина κ [каппа] безразмерна.

Диэлектрическая проницаемость для выбранных материалов (~300 К, если не указано иное)

материал к
воздух 1.005364
уксусная кислота 6,2
спирт этиловый (зерновой) 24,55
спирт метиловый (древесный) 32,70
янтарный 2,8
асбест 4,0
асфальт 2,6
бакелит 4,8
кальцит 8,0
карбонат кальция 8.7
целлюлоза 3,7–7,5
цемент ~2
кокаин 3.1
хлопок 1,3
алмаз, тип I 5,87
алмаз, тип IIa 5,66
эбонит 2,7
эпоксидная смола 3,6
мука 3 — 5
фреон 12, −150 °C (жидкий) 3.5
фреон 12, +20 °C (пар) 2,4
германий 16
стекло 4–7
стекло, пирекс 7740 5,0
гуттаперча 2,6
топливо для реактивных двигателей (реактивное) 1,7
оксид свинца 25,9
ниобат свинца-магния 10 000
сульфид свинца (галенит) 200
титанат свинца 200
дейтерид лития 14.0
люцит 2,8
слюда, мусковит 5,4
слюда канадская 6,9
нейлон 3,5
масло льняное 3,4
масло минеральное 2.1
масло оливковое 3.1
масло, нефть 2,0–2,2
масло, силикон 2.5
масло, сперма 3,2
масло трансформаторное 2,2
материал к
бумага 3,3, 3,5
оргстекло 3.1
полиэстер 3,2–4,3
полиэтилен 2,26
полипропилен 2.2–2,3
полистирол 2,55
поливинилхлорид (пвх) 4,5
фарфор 6–8
ниобат калия 700
КТН, 0°С 34 000
КТН, 20 °C 6000
кварц кристаллический (∥) 4,60
кварц кристаллический (⊥) 4.51
кварц, плавленый 3,8
каучук, бутил 2,4
резина, неопрен 6,6
резина, силикон 3,2
каучук, вулканизированный 2,9
соль 5,9
селен 6,0
кремний 11,8
карбид кремния (αSiC) 10.2
диоксид кремния 4,5
силиконовое масло 2,7–2,8
почва 10–20
титанат стронция, +25 °C 332
титанат стронция, −195 °C 2080
сера 3,7
пентаоксид тантала 27
тефлон 2.1
антимонид олова 147
теллурид олова 1770
титана диоксид (рутил) 114
табак 1.6–1,7
диоксид урана 24
вакуум 1 (точно)
вода, лед, -30°C 99
вода жидкая, 0°C 87,9
вода жидкая, 20°C 80,2
вода жидкая, 40°C 73,2
вода жидкая, 60 °C 66,7
вода жидкая, 80 °C 60.9
вода жидкая, 100°C 55,5
воск, пчелиный воск 2,7–3,0
воск карнаубский 2,9
воск, парафин 2,1–2,5
вощеная бумага 3,7
ткани человека к
кость губчатая 26
кость кортикальная 14.5
головной мозг, серое вещество 56
головной мозг, белое вещество 43
головной мозг, мозговые оболочки 58
хрящ общий 22
хрящ уха 47
ткани человека к
глаз, водянистая влага 67
глаз, роговица 61
глаз, склера 67
жир 16
мышцы, гладкие 56
мышцы поперечно-полосатые 58
кожа 33–44
язык 38

пробой диэлектрика

Любой изолятор можно заставить проводить электричество.Это явление известно как пробой диэлектрика .

Пробой диэлектрика в отдельных материалах

материал поле (МВ/м)
воздух 3
янтарный 90
бакелит 12, 24
алмаз, тип IIa 10
стекло, пирекс 7740 13, 14
слюда, мусковит 160
нейлон 14
масло, силикон 15
масло трансформаторное 12, 27
материал поле (МВ/м)
бумага 14, 16
полиэтилен 50, 500–700, 18
полистирол 24, 25, 400–600
поливинилхлорид (ПВХ) 40
фарфор 4, 12
кварц, плавленый 8
резина, неопрен 12, 12
титанат стронция 8
тефлон 60
титана диоксид (рутил) 6

пьезоэлектрический эффект

Произнесите все гласные.Пьезоэлектричество — это эффект преобразования энергии между механической и электрической формами.

  • Пьезо по-гречески означает давление (πιεζω).
  • Открыт в 1880-х годах братьями Кюри.
  • Недорогие пьезоэлектрические микрофоны. Когда поляризованный кристалл испытывает напряжение, это напряжение создает разность потенциалов. Эта разность потенциалов пропорциональна напряжению, которое пропорционально акустическому давлению.
  • Обратный пьезоэлектрический микрофон представляет собой пьезоэлектрический динамик: зуммер будильника, наручных часов, всевозможные электронные биперы.Когда к поляризованному кристаллу прикладывается электрический потенциал, кристалл подвергается механической деформации, которая, в свою очередь, может создавать акустическое давление.
  • Коллаген является пьезоэлектрическим. «Когда к [костному] коллагену прикладывается сила, генерируется небольшой постоянный электрический потенциал. Коллаген проводит ток в основном за счет отрицательных зарядов. Минеральные кристаллы кости (апатит), близкие к коллагену, проводят ток за счет положительных зарядов. из этих двух типов полупроводников ток легко течет в одном направлении, но не в другом…Считается, что силы, воздействующие на кости, создают потенциалы за счет пьезоэлектрического эффекта и что в соединениях коллаген-апатит возникают токи, которые вызывают и контролируют рост костей. Токи пропорциональны напряжению (силе на единицу площади), поэтому повышенное механическое напряжение костей приводит к ускорению роста». Физика тела (255).
  • .
Микрофоны и принципы их работы
тип звука производят
изменения в…
, которые вызывают
изменения в…
, которые приводят к
изменениям в…
уголь плотность гранул сопротивление напряжение
конденсатор разделение пластин емкость напряжение
динамический расположение катушки флюс напряжение
пьезоэлектрический сжатие поляризация напряжение

Диэлектрики в электрических полях: таблицы, атомы и молекулы

Содержание

вступительные концепции
диполей
потенциал из-за диполя
дипольный момент сферического заряда
Уравнение Лапласа
Tunneling Feenomenon
Теория полосы твердых веществ
Распределение энергии Функция
Фактор Больцмана
Сравнение функций распределения
Заключительные замечания
Список литературы

90 006 Поляризация и статическая диэлектрическая проницаемость
поляризация и диэлектрическая постоянная
Электронная поляризация
Внутреннее поле
ориентационная поляризация
Дебая Уравнения
Экспериментальная проверка Дебаем Уравнение
спонтанная поляризация
Онзагер Теория


Теория Киркивуда
Диэлектрическая константа двух средств массовой информации
Диэлектрическая постоянная жидких смесей
эффект высоких электрических полей
атомная поляризуемость
Дополнительные комментарии для статического диэлектрика Константа
Заключительные замечания
Список литературы

диэлектрические потери и релаксации — I
Комплексная проницаемость

Polarization Paintup
Debye Уравнения Бистабильная модель диполей
Комплексная плоскость
Cole-Cole Relaxation
диэлектрические свойства воды
Дэвидсон-Cole Уравнение
макроскопического Время релаксация
Molecular Время релаксации
прямолинейных Отношения
Фрёлихи Анализ
Fuoss-Kirkwood Уравнение
Гавриляк и Неги Дисперсия
Диэлектрическая Восприимчивость
Распределение времен релаксации
Соотношения Крамерса–Кронига
Индекс потерь и проводимость
Дополнительные комментарии
Заключительные замечания 4

Диэлектрические потери и релаксации-II
Джонсечер Универсальный закон

Кластерный подход Dispado and Hill
Эквивалентные цепи
Межфазное поляризацию
Абсорбционное явление
Частота зависимость ε *
Диэлектрические спектры инженерной важности
Заключительные замечания
Список литературы

Экспериментальные данные (частотный домен)
Введение в полимерную науку
номенклатура релаксационных процессов
Неполярный полимеры
Полярные полимеры
Metaling Methicing
Заключительные замечания
Ссылки

Токи поглощения и десорбции
Ток поглощения в диэлектрике
Приближение Хамона
Распределение времени релаксации и диэлектрической функции

Экспериментальные измерения.

Неорганические диэлектрики
алюминия (AL 2 O 3 ) ) Titanate бария (BATIO 3 )
Barium-Strontium-Titanate (BST)
Carborundum (SiC)
Микроволновая пешерная керамика
Стекло
Диоксид кремния (SiO 2 )
Материалы с высоким и низким ε
Заключительные замечания

Микроволновые методы измерения
Микроволновые измерения
Резонанс и стоящие методы волны
Методы трансмиссии / отражения
Широкополосные измерения
Заключительные замечания
Ссылки

Диэлектрики в союзных дисциплинах
альтернативное представление диэлектрических параметров
Спектроскопия импеданса топливных элементов
спектры импеданса в медицинской науке
Спектроскопия импеданса для коррозии
диэлектрические измерения в сельскохозяйственных науках
Применения в электроухиге
Применение в гражданском строительстве
Заключительные замечания
Ссылки

Полевая проведение проводимости
некоторые общими комментариев
Численные вычисления
Более свежие публикации
Заключительные замечания
Ссылки

Выбранные аспекты газообразного поломки
явления столкновения столкновения
рост электронов в Avalanche
Критерии для поломки
Закон Paschen
Paschen Time Lags
Механизм стримера
Искажение поля из-за пространства

Обраборочные характеристики однородных пробелов в SF 6

9011
9011



Разбивка напряжения в воздухе с переменным напряжением
Моделирование феноменов разряда
Формирование стримера в однородных полей
Коронный разряд
Основные механизмы: отрицательный коронный разряд
Основные механизмы: положительный коронный разряд
Моделирование коронного разряда: уравнения непрерывности rona in SF 6
Моделирование методом Монте-Карло: положительная корона в SF 6
Разрушение микропробелов
Заключительные замечания 3

Высокопольные проводимости и поломки в жидкостях
Высокопольные проводимости

Механизмы поломки
частичные разряды
скрещенные магнитные поля эффекты
заключительные замечания
Ссылки

Разбивка в твердых диэлектриках
Электроны в твердых веществах
Электронная теория поломки
Теория Von Hippel
Компьютеры Боггс
Термический пробой
Вода, дерева
Разбивка в коммерческих полимерах
Распределение Вейбулла
Площадные эффекты в высокотемпературных полимерах
Исследования разрушения отдельных материалов
Разные материалы
Электролюминесценция
Справочные материалы 30
4

Термически стимулированные процессы
ловушки в изоляторах
Ток из-за термически стимулированной деполяризации (TSD)
TSDC для распределения энергии активации
TSDC для универсального механизма релаксации
TSCCS ​​с ионным пространством
TSDCS С электронными проводимостью
TSDC с короной, зарядки
Компенсация Температура
Методы и анализы
TSD и переменного тока Диэлектрические свойства
Заключительные замечания
Ссылки

Космический заряд в твердых диэлектриках
Значение космического заряда
Полярности и ловушки
Концептуальный подход
Метод теплового импульса Коллинз
Анализ Дереджи
Метод модуляции интенсивности лазера (Лимм)
Метод импульсного давления
Экспериментальные результаты
Более свежая литература
Заключительные замечания
Ссылки

Nanodielectrics
Материалы: Общие комментарии
Полиэтилены и Избранные наноматериалы
Поли (винилиденфторид) нанокомпозиты
Поли (виниловый спирт) и нанокомпозиты
эпоксидная смола нанокомпозиты
полиамидные и полиимидные нанокомпозиты
Выбранные полимерные нанокомпозиты

нанодиелектрики в энергетике
явления космического заряда в нанокомпозитах
разбивка в нанодиелектриках
заключительные замечания
ссылки

Приложения

Часть 4. Диэлектрическая поляризация

Добро пожаловать в серию «Основные сведения о конденсаторах», где мы расскажем вам о тонкостях конденсаторов — их свойствах, классификации продуктов, стандартах испытаний и примерах использования — чтобы помочь вам принять обоснованное решение о подходящие конденсаторы для ваших конкретных приложений.После описания факторов, влияющих на емкость, в нашей предыдущей статье давайте обсудим диэлектрическую поляризацию и ее связь с частотой

.
Что такое диэлектрическая поляризация?

Когда к конденсатору прикладывается электрическое поле, диэлектрический материал (или электрический изолятор) поляризуется, так что отрицательные заряды в материале ориентируются к положительному электроду, а положительные заряды смещаются к отрицательному электроду. Поскольку заряды не могут свободно перемещаться в изоляторе, эффект поляризации, противодействующий приложенному полю, притягивает заряды к электродам, тем самым сохраняя энергию в конденсаторе.

Чем легче материал поляризуется, тем больше заряда может храниться в конденсаторе. Эта способность накапливать энергию в электрическом поле называется диэлектрической проницаемостью K или относительной диэлектрической проницаемостью ε r . Степень поляризации P связана с диэлектрической проницаемостью K и напряженностью электрического поля E следующим образом:

            P = ε 0 (K-1) E

            где ε 0 — физическая константа, известная как диэлектрическая проницаемость вакуума

Полная поляризация диэлектрика представляет собой сумму четырех источников смещения заряда: электронного смещения P e , ионного смещения P i , ориентации постоянных диполей P d и смещения пространственного заряда P s .

            P t = P e + P i + P d + P s

Рисунок 1. Четыре типа механизмов поляризации (источник: ACRHEM )

Электронная поляризация: Этот эффект проявляется во всех атомах под действием электрического поля. Ядро атома и центр его электронного облака смещаются друг от друга, создавая крошечный диполь с очень небольшим поляризационным эффектом.

Ионная поляризация: В ионных твердых телах, таких как керамические материалы, ионы симметрично расположены в кристаллической решетке с чистой нулевой поляризацией. При приложении электрического поля катионы и анионы притягиваются в противоположных направлениях. Это создает относительно большое ионное смещение (по сравнению с электронным смещением), что может привести к высокой диэлектрической проницаемости в керамике, широко используемой в конденсаторах.

Дипольная (или ориентационная) поляризация : Некоторые твердые тела имеют постоянные молекулярные диполи, которые под действием электрического поля вращаются в направлении приложенного поля, создавая суммарный средний дипольный момент на молекулу.Дипольная ориентация более распространена в полимерах, поскольку их атомная структура допускает переориентацию.

Пространственный заряд (или межфазная) поляризация: В керамике это явление возникает из-за посторонних зарядов, возникающих из-за загрязнений или неправильной геометрии границ раздела поликристаллических твердых тел. Эти заряды частично подвижны и мигрируют под действием приложенного поля, вызывая этот внешний тип поляризации.

Как частота влияет на поляризацию и диэлектрические потери?

Интересно, что каждый тип поляризации имеет различную временную характеристику для частоты приложенного поля, что означает, что результирующая эффективная поляризация по отношению к диэлектрической проницаемости зависит от частоты.

  • Электронное смещение очень быстрое, поэтому эта поляризация возникает на частотах до 10 17
  • Ионная поляризация немного медленнее и возникает на частотах до 10 13
  • Дипольная поляризация возникает на частотах менее 10 10
  • Поляризация пространственного заряда самая медленная и возникает менее чем при 10 4

Следовательно, диэлектрическая проницаемость (и, следовательно, значение емкости) всегда уменьшается с увеличением частоты, поскольку механизмы поляризации становятся менее эффективными.

Рисунок 2. Влияние частоты на механизмы поляризации

В цепи переменного тока напряжение и ток на идеальном конденсаторе сдвинуты по фазе на 90 градусов. Однако диэлектрики реального мира не идеальны, и поэтому отставание или «время релаксации» механизмов поляризации с частотой приводит к диэлектрическим потерям. Можно определить угол, на который ток конденсатора отличается от идеального по фазе, а тангенс этого угла представляет собой свойство материала, называемое тангенсом угла потерь (Tan δ) или коэффициентом рассеяния.На практике материалы с более высокими диэлектрическими постоянными (и, следовательно, с более высокими механизмами поляризации) демонстрируют более высокие коэффициенты рассеяния.

Рис. 3. Тангенсные потери или коэффициент рассеяния реального конденсатора

 Частота, на которой используется диэлектрик, оказывает важное влияние на механизмы поляризации, особенно на время релаксации, проявляемое материалом при изменении направления поля в цепи переменного тока.

  • Случай 1: Если время релаксации для поляризации намного больше и медленнее, чем инверсия поля, ионы вообще не могут следовать за полем, и потери малы.
  • Случай 2: Если время релаксации намного быстрее, чем инверсия поля, процессы поляризации могут легко следовать частоте поля, а потери малы.
  • Случай 3: Если время релаксации и частота поля одинаковы, значки могут следовать за полем, но ограничены их запаздыванием, что приводит к наибольшим потерям с частотой.

Следовательно, диэлектрические потери максимальны на частоте, где приложенное поле имеет такой же период релаксационного процесса.Керамические диэлектрические составы всегда показывают диапазон времен релаксации в частотном спектре, поскольку эти материалы состоят из поликристаллического вещества. В высокочастотных приложениях этот параметр часто называют добротностью, которая является обратной величиной тангенса угла потерь: Q = 1 / (tan δ)

Рисунок 4. Изменения диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь, вызванные частотой

 Мы надеемся, что часть 4 помогла вам лучше понять диэлектрическую поляризацию и то, как она влияет на ваше конкретное приложение.В части 5 мы рассмотрим диэлектрические свойства, такие как сопротивление изоляции и диэлектрическая прочность. Кроме того, ознакомьтесь с нашими конденсаторами Knowles Precision Devices , чтобы ознакомиться с нашим полным ассортиментом продукции.


Чтобы узнать больше о конденсаторах, загрузите нашу электронную книгу «Руководство по выбору правильного конденсатора для вашего конкретного приложения».

Диэлектрические жидкости в электростатических полях

Диэлектрические жидкости в электростатических полях
Далее: Упражнения Up: Электростатика в диэлектрических средах Предыдущий: Отношение Клаузиуса-Моссотти Рассмотрим поведение незаряженной диэлектрической жидкости, помещенной в электростатическое поле.Если это давление внутри жидкости, когда в равновесии с плотностью электростатической силы потом баланс сил требует, чтобы
(599)

Из уравнения (585) следует, что
(600)

Мы можем проинтегрировать это уравнение, чтобы получить
(601)

где 1 и 2 относятся к двум общим точкам в жидкости.Вот предположил, что жидкость обладает уравнением состояния, так что . Если жидкость практически несжимаема (т.е. константа) тогда
(602)

Наконец, если жидкость подчиняется соотношению Клаузиуса-Моссотти, то
(603)

Согласно уравнениям (554) и (604), если сфера из диэлектрика жидкость помещена в однородное электрическое поле затем давление внутри жидкости принимает постоянное значение

(604)

Ясно, что электростатический силы, действующие на диэлектрик, сосредоточены в края сферы, и направлены радиально внутрь: т. е. диэлектрик сжимается внешним электрическим полем.Этот несколько неожиданный результат, поскольку электростатические силы, действующие на жесткой проводящей сферы сосредоточены на краю сферы, но направлены радиально наружу. Мы могли бы ожидать, что эти два случая дадут тот же результат в пределе . Причина, по которой этого не происходит, потому что диэлектрическая жидкость слегка сжимаемый, и, следовательно, подвергается электрострикционной силе. Здесь нет сила электрострикции для случая абсолютно твердого тела.На самом деле, сила плотность внутри жесткого диэлектрика (для которого ) дается уравнением (585), где третий член (электрострикционный член) отсутствует. Легко показать, что сила, действующая на электрическую поле на жестком диэлектрике направлено наружу и приближается к приложенному на жестком проводнике в пределе .

Как известно, если пару заряженных (плоскопараллельных) пластин конденсатора опустить в диэлектрической жидкости, затем жидкость втягивается между пластинами до какой-то степени.Рассмотрим этот эффект. Мы можем без потерь общности предположим, что переход от диэлектрика к вакууму происходит размещать непрерывно. Рассмотрим электростатический перепад давления между точкой лежащий прямо над поверхностью жидкости между пластины и точка лежащий непосредственно над поверхностью жидкой ямы подальше от конденсатора (где ). Разница давлений данный

(605)

Обратите внимание, однако, что Клаузиус-Моссотти отношение дает на обоих и , так как в вакууме [см. уравнение (599)].Таким образом, из уравнения (585) видно что электрострикционный член не дает вклада в линию интеграл (606). Это следует из того
(606)

Единственный вклад в этот интеграл вносит вакуумно-диэлектрический интерфейс в районе точки (потому что является постоянный внутри жидкость и в окрестностях неподалеку от точка ). Предположим, что электрическое поле в точке имеет нормальную и касательную (к поверхности) составляющие и , соответственно.Использование граничные условия, которые и постоянны во всем вакуум/диэлектрический интерфейс, мы получаем
(607)

давать
(608)

Это электростатическое перепад давления можно приравнять к гидростатическому давлению разница для определения высоты, , что жидкость поднимается между пластинами. На первый взгляд, приведенный выше анализ позволяет предположить, что диэлектрическая жидкость вытягивается вверх под действием поверхностной силы действует на границу раздела вакуум/диэлектрик в области между пластинами.На самом деле это далеко не кейс. Краткое рассмотрение уравнения (604) показывает, что эта поверхностная сила фактически направлен вниз. Согласно уравнению (585), сила, заставляющая жидкость подняться между тарелками объемная сила, развивающаяся в области неоднородного электрического поле у ​​основания конденсатора, где поле расходится между тарелки. Таким образом, хотя мы и можем определить высоту, до которой жидкость поднимается между пластинами без учета силы электрострикции, как это ни парадоксально, именно эта сила на самом деле отвечает за поддержание жидкости против силы тяжести.

Рассмотрим еще один парадокс, касающийся электростатических сил в диэлектрической среде. Предположим, что у нас есть два заряда встроенный в однородный диэлектрик с диэлектрической проницаемостью . Генерируемое электрическое поле каждым зарядом такой же, как и в вакууме, за исключением того, что он уменьшается с коэффициентом . Поэтому мы ожидаем, что сила, действующая один заряд на другой должен быть таким же, как в вакууме, за исключением того, что он также уменьшается на коэффициент .Давайте рассмотрим, как происходит это уменьшение силы. Рассмотрим простой пример. Предположим, что мы берем плоский конденсатор и вставляем блок твердого диэлектрика между пластинами. Предположим далее, что существует небольшой вакуумный зазор между гранями блока и каждой из пластины конденсатора. Пусть — плотность поверхностного заряда на каждой из обкладок конденсатора, и пусть быть связанным плотности заряда, возникающие на внешних поверхностях промежуточного диэлектрика блокировать.Два слоя связанного заряда производят равные и противоположные заряды. электрические поля на каждой пластине, и поэтому их эффекты компенсируют друг друга. Таким образом, с точки зрения только электрического взаимодействия по-видимому, не меняется сила, действующая на одну пластину конденсатора. Другие при размещении между ними диэлектрической пластины (при условии, что останки постоянна в течение этого процесса). То есть сила на единицу площадь (которая привлекательна) остается

(609)

Однако в опытах с погружением конденсатора в диэлектрической жидкости сила на единицу площади, действующая на одну пластину на другом наблюдается снижение до
(610)

Этот кажущийся парадокс можно объяснить, принимая во внимание перепад давления жидкости в заполненном полем пространстве между пластинами и свободной от поля областью вне конденсатора.Эта разность давлений уравновешивается внутренними упругими силами в случае твердого диэлектрика, обсуждавшегося ранее, но передается пластины в случае жидкости. Мы можем вычислить разницу давлений между точкой на внутренней поверхности одного из конденсаторов пластины и точка на внешней поверхности той же пластины с помощью Уравнение (607). Если пренебречь краевыми эффектами, то электрическое поле нормальное к пластинам в области между пластинами, и равна нулю где-либо еще.Таким образом, единственный вклад в линейный интеграл (607) исходит от границы раздела пластина/диэлектрик вблизи точка . Используя уравнение (609), мы находим, что
(611)

где — нормальная напряженность поля между пластинами в отсутствие диэлектрика. Сумма этой силы давления и чисто электрическая сила (610) дает чистое притяжение сила на единицу площади
(612)

действует между пластинами.Таким образом, любое уменьшение прилагаемой силы по обвинению друг в друге когда они погружены или встроены в диэлектрическую среду можно понять только с точки зрения механических сил, передаваемых между этими зарядами самой средой.

Далее: Упражнения Up: Электростатика в диэлектрических средах Предыдущий: Отношение Клаузиуса-Моссотти
Ричард Фицпатрик 2014-06-27

Диэлектрики — дополнительная документация SIMION 2020

В диэлектрических материалах (т.е. изоляторы), в отличие от проводящих материалов, заряды в молекулах или атомах не могут свободно двигаться, но будут слегка смещаться при приложении электрического поля, тем самым вызывая молекулы становятся поляризованными. Суммарный эффект дипольных моментов этих поляризованных молекул или атомов изменяет электрическое поле.

Теория

Ниже приводится краткий обзор уравнений и определений, относящихся к электрическим полям. в присутствии диэлектриков. Дополнительные сведения и общие сведения см. в стандартном такие тексты, как Griffiths и Wikipedia:Dielectric.

Закон Гаусса в дифференциальной форме, который является одним из уравнения Максвелла и легко выводит Уравнение Пуассона, это . В присутствии изоляционных материалов (диэлектриков) плотность заряда представляет собой сумму связанных зарядов () от поляризации диэлектрика и свободный заряд () от других источников (например, поверхность электрода заряды и объемный заряд). С (где P поляризация , т. е. дипольный момент в единице объема, диэлектрик), Гаусс право может альтернативно быть написано в терминах бесплатного платежа как , где мы определяем как электрический рабочий объем .Преимущество в том, что более вероятно известно, чем , поэтому мы можем использовать решатель Пуассона в SIMION для решения для данного . В некоторых случаях тогда мы можем вывести E из D .

В линейном диэлектрике , , где электрическая восприимчивость (и безразмерна). Мы можем поочередно выражать в виде , где диэлектрическая проницаемость , и относительная диэлектрическая проницаемость , также называется (относительной) диэлектрической проницаемостью нелинейный диэлектрик (но все же изотропный), является функцией величина локального электрического поля. В анизотропном диэлектрике , P и E не обязательно параллельны, и являются тензорами, а не скалярами.

Объединив это и используя , мы имеем для линейного диэлектрика , которое является формой уравнения Пуассона, которое SIMION может решить с помощью Решатель Пуассона в SIMION. Это может быть решено итеративно самосогласованным образом, в случае нелинейного изотропного диэлектрика.

SIMION Special — Scope

Рис. 55 Один из диэлектрических примеров SIMION 8.1.1 (диэлектрическая сфера внутри электрического поля) с показанными эквипотенциальными контурными линиями.

SIMION 8.1.1.0 может рассчитывать электрические поля в присутствии диэлектриков (через решатель Пуассона в функции SIMION Refine). Он поддерживает линейные анизотропные диэлектрики, относительная диэлектрическая проницаемость которых изменяется как функция положения. Также приводится пример более сложной задача обработки нелинейных изотропных диэлектриков с помощью итеративного (самосогласованного) подход.Анитропные диэлектрики в настоящее время не применяются. Поле решения может включать в себя как диэлектрики, так и эффекты пространственного заряда в одних и тех же местах (например, заряженный диэлектрик) и ячейки сетки анизотропного масштаба (не путать с анизотропными диэлектриками) поддерживаются диэлектриками.

Родственная задача решения плотности тока в присутствии материалов с различной проводимостью также поддерживается (см. Плотность тока).

В некоторых случаях диэлектрики достаточно удалены от электрода. поверхности, что они мало влияют на электрические поля в области, где частицы летят, так что вы можете игнорировать диэлектрики в симуляции, например, рассматривая их как неэлектродные точки.Например, SIMION Пример: einzel, на самом деле было бы изолирующие прокладки между электродами цилиндра, но мы игнорируем те в модели.

В настоящее время SIMION не обрабатывает радиочастотные эффекты в диэлектриках, где диэлектрическая поляризация не мгновенно реагирует на изменения электрического поля но имеет частотно-зависимую характеристику. Эти эффекты игнорируются, когда поле RF в SIMION.

Примечание

Эта страница представляет собой сокращенную версию полной «Дополнительной документации» SIMION (файл справки).Следующие дополнительные разделы можно найти в полной версии этой страницы, доступной через меню «Справка > Дополнительная документация» в SIMION 8.1.1 или выше:
  • Моделирование
  • Файлы Fast Adjust PA#
  • Типы диэлектриков: Нелинейные диэлектрики
  • Типы диэлектриков: изотропные по сравнению с диэлектриками. анизотропные диэлектрики
  • С объемным зарядом
  • Диэлектрическая зарядка пучком (и предотвращение ее)
  • Получение максимальной точности поля на диэлектрических границах

поляризация — Диэлектрик

Определение
  • «Когда диэлектрический материал помещается во внешнее электрическое поле, его молекула приобретает электрический дипольный момент, и диэлектрик считается поляризованным»

«Индуктивный момент на единицу объема диэлектрического материала» называется электрической поляризацией диэлектрика.«Это представлено вектором стр.

Тип диэлектрической поляризации

— четыре типа диэлектрической поляризации

1. Электронная поляризация

2. Ионная поляризация

3. Ориентационный поляризация

4. Поляризация пространственного заряда

         1. Электронная поляризация

Поляризация, возникающая вследствие смещения положительного заряда и отрицательного заряда в диэлектрическом материале, называется электронной поляризацией.

На рисунке показано распределение заряда атома в отсутствие электрического поля, а на рисунке b показано распределение заряда в присутствии внешнего электрического поля. Этот процесс происходил во всем материале, и весь материал поляризуется. облако плотности заряда разделено небольшим расстоянием, поэтому в каждом атоме индуцируется диплольный момент. Индукционный дипольный момент P e пропорционален внешнему полю.

     P e =N¥E        , где ¥ — константа пропорциональности.

                 2. Ионная поляризация

Ионная поляризация возникает только в тех диэлектрических материалах, в которых атомы содержат ионные связи. Когда такой материал помещается во внешнее электрическое поле, расстояние между положительным и отрицательным зарядами разделяется на большее расстояние по сравнению с первоначальной длиной.

 Диплоль, вызванный ионной поляризацией, будетОриентационная поляризация 90 009 полярных диэлектриков проявляют ориентационную поляризацию даже в отсутствие электрического поля, полярные диэлектрики демонстрируют дипольный момент, ориентация молекул случайна, и, следовательно, общий дипольный момент равен нулю, когда прилагается внешняя сила. направление приложенного поля. Этот тип поляризации известен как ориентационная поляризация

Пусть N — количество молекул на единицу M3

P = N ¥ E

4.Поляризация пространственного заряда

объемный заряд возникает из-за накопления заряда на электродах, находящихся на границе раздела в многофазном материале, как показано на рисунке. Ионы диффундируют на заметное расстояние в ответ на приложенное поле. перераспределения зарядов в диэлектрической среде



           

Электрические поля в материи — Nexus Wiki

Что мы подразумеваем под «полями в материи»?

В наших предыдущих обсуждениях мы определили электрическое поле и электрический потенциал, ощущаемый пробным зарядом, рассматривая все другие заряды и суммируя их влияние на пробный заряд.Это требует идентификации всех заряженных частиц. Но на самом деле это взгляд на «частицы и заряды в вакууме», потому что если поблизости есть какая-либо другая материя (под материей мы подразумеваем любой вид атомов или молекул), она содержит как положительные заряды, так и отрицательные заряды (электроны), которые будут влиять на электрическое поле. и электрический потенциал, ощущаемый пробным зарядом. Большая часть биологии происходит внутри сложной материи, часто в жидкости, поэтому очень важно узнать, как окружающая материя и ее положительные и отрицательные заряды влияют на электрические поля и потенциалы, воспринимаемые пробным зарядом.

Давайте начнем с одной важной оговорки о полях и потенциалах в материи: электрическое поле и потенциал становятся действительно сложными, когда мы приближаемся к атомному масштабу! Поскольку силы и поля увеличиваются с уменьшением расстояния между зарядами, очень близко к любому заряду в материале поле становится огромным и сложным. Эта трудность определения свойства не нова при нашем подходе к электрическим силам и энергиям. У нас есть аналогичный опыт с такими величинами, как температура, pH и химическая концентрация.На молекулярном уровне (в нанометровом масштабе) эти величины сильно колеблются в зависимости от того, попадает ли молекула в крошечный объем, который мы рассматриваем. Но если мы говорим не об отдельных молекулах, а о более крупных структурах, таких как, например, мембран в масштабе сотен нанометров или pH митохондрий, объем, который мы могли бы рассмотреть, будет содержать тысячи атомов. В этом масштабе мы можем легко определить температуру или концентрацию. И в этом масштабе мы также условимся определять электрическое поле и электрический потенциал.Но то, что мы подразумеваем под ними, является своего рода сглаженным средним. Истинное электрическое поле или потенциал в молекулярном масштабе так же трудно описать, как и температуру в этом масштабе.

Используя нашу игрушечную модель

В некоторых из наших предыдущих чтений (   Простая электрическая модель: слой заряда, конденсатор) мы сделали «игрушечную модель» системы множества электрических зарядов, разбросанных по поверхности. Учитывая эффект каждого отдельного заряда, это был бы ужасный беспорядок.Нам пришлось бы сложить огромное количество отдельных векторов, каждый со своей величиной и направлением, и у нас действительно не было бы возможности говорить о результате.

Вместо этого мы рассмотрели простую модель, в которой наши заряды считались не отдельными частицами, а гладким распределением, равномерно распределенным по бесконечному плоскому листу. Мы могли (достаточно) легко показать, что поле вблизи такого листа было постоянным и перпендикулярным этому листу, и, приложив немного вычислений, мы могли вычислить напряженность поля, которая, как оказалось, зависела только от плотности заряда на листе.Кроме того, мы вычислили как раз , когда такая игрушечная модель была бы разумной: пока рядом не было края слишком близко и пока мы не были так близко к листу, что мы могли бы видеть эффект отдельных дискретные заряды.

Эта модель идеально подходит для того, чтобы помочь нам понять общее влияние электрического поля на материю, увидеть среднее воздействие и определить параметры для его описания. Начнем с простейшего случая: что произойдет, если мы поместим проводник (скажем, кусок металла) в электрическое поле.

Поля в проводнике

В общем, заряды могут свободно перемещаться, а могут и не двигаться. (Обсуждение см. в разделе « Поляризация» .) Если в материи есть заряды, которые могут достаточно свободно перемещаться через все тело материала, это называется проводником . Два примера: (1) металл, в котором подвижными зарядами являются электроны, распределенные между плотной упаковкой ионов (2) ионная жидкость, в которой подвижными зарядами являются ионы, например, Na + и Cl в виде солевого раствора.В «нейтральном» металле или жидкости баланс положительных и отрицательных зарядов.

Рассмотрите вариант размещения блока проводящего вещества между пластинами конденсатора, состоящего из двух бесконечных пластин с одинаковой и противоположной поверхностной плотностью заряда (внимание, игрушечная модель!), как показано на рисунках ниже. Слева мы показываем конденсатор до того, как в него вставили блок, и справа, как он выглядит через мгновение после этого.

Когда мы поместим проводник между пластинами, электрическое поле от двух пластин будет присутствовать повсюду внутри проводника.В частности, он будет присутствовать в местах расположения подвижных зарядов внутри проводника. Предположительно, до того, как он был помещен между пластинами, силы на каждом из подвижных зарядов в проводнике были уравновешены. Теперь, с добавлением полей от обкладок конденсатора, силы больше не уравновешиваются. Электроны (при условии, что это металлический блок) будут двигаться против электрического поля, притягиваясь к положительной пластине конденсатора и отталкиваясь от отрицательной пластины конденсатора.

В результате на стороне проводника, ближайшей к положительной пластине, начнет формироваться слой электронов, оставив слой несбалансированных ионов на стороне проводника, ближайшей к отрицательной пластине: примерно так, как показано на рисунке Правильно.

Обратите внимание на слабые красные (розовые) заряды, формирующиеся слева от проводника, и слабые синие (бирюзовые) заряды, формирующиеся справа от проводника. Они создают два новых слоя заряда, противоположных слоям конденсатора.

Эти листы также будут создавать электрическое поле в проводнике, но в направлении, противоположном исходным пластинам. Это уменьшит общее поле внутри проводника, но пластины конденсатора все равно будут побеждать и по-прежнему перемещать заряды до тех пор, пока слои неуравновешенного заряда, накопившиеся на поверхности проводника, не будут РАВНЫ по плотности заряда зарядам на обкладках конденсатора как показано справа.

Тогда поле внутри проводника уменьшится до нуля и движение зарядов прекратится. Внутри проводника поля не будет. Это дает нам наш первый результат:

.

Электрическое поле внутри тела статического проводника (без движущихся зарядов) равно нулю.

Мы включаем ограничение «статический», поскольку, если заряды движутся по проводнику — например, когда электрический ток все еще течет, у нас может быть электрическое поле.

Поскольку изменение потенциала между двумя точками представляет собой интеграл электрического поля, умноженный на расстояние, если внутри проводника нет поля, не может быть изменения потенциала от одной точки проводника к другой.Это дает нам второй важный результат:

.

Все тело статического проводника (без движущихся по нему зарядов) имеет одинаковый потенциал.

Мы можем увидеть, что произойдет с емкостью конденсатора, если мы поместим в него блок проводника. Поскольку разность потенциалов является интегралом поля E, умноженного на расстояние ($ΔV = E \times d$, если поле постоянно, как в нашей игрушечной модели), если часть расстояния теперь имеет нулевое электрическое поле, то это больше не вносит вклад в разность потенциалов.Если наш проводник имеет толщину $d_c$, то поле E будет только на расстоянии $d — d_c$, поэтому емкость теперь станет больше — мы можем хранить больше разделения зарядов при более низкой стоимости напряжения:

$$C= \frac{k_CA}{d-d_c}$$

Поля в изоляторе: диэлектрическая проницаемость

В то время как для проводников заряды могут двигаться как жидкость, для многих материалов заряды могут двигаться лишь немного, но не свободно — по сути (еще одна модель игрушки!) мы можем думать о зарядах как о привязанных к своим противоположным зарядам.Полярная молекула может быть переориентирована, или заряды на молекуле могут немного разойтись. Эффект заключается в уменьшении среднего поля E в материале, поскольку заряды могут немного двигаться, чтобы противостоять электрическому полю, но они больше не могут двигаться, чтобы противостоять электрическому полю до тех пор, пока поле не станет равным 0. Степень до какое электрическое поле может быть уменьшено, зависит от деталей свойств материала. Уменьшение поля можно измерить, определив, насколько падает напряжение в конденсаторе, когда вы вставляете в него блок материала.Как и в обсуждении выше, уменьшение электрического поля в материале приводит к увеличению емкости конденсатора, заполненного материалом.

Мы определяем коэффициент, на который среднее поле уменьшается в данном материале, как диэлектрическую проницаемость этого материала, $κ$ (каппа).

$$E_{\mathrm{внутри\;материал}} = \frac{1}{\kappa} E_{\mathrm{если\;никакого\;материала\;не было\;там}}$$

Конечно, это относится к среднему полю E, измеренному путем рассмотрения полного изменения разности потенциалов.«Настоящее» поле E будет сильно колебаться в атомном масштабе.

Подробнее см. на страницах конденсатор и диэлектрическая проницаемость

Условное предупреждение! Постоянная Кулона $k_C$ иногда записывается как $k_C=1/4πε_0$. Тогда комбинация $κε_0$ иногда определяется как $ε=κε_0$. Закон Кулона для электрического поля внешнего заряда внутри вещества можно записать так же, как и в свободном пространстве, но с ε в константе Кулона вместо $ε_0$. Эта форма включает эффекты поляризации среды.Однако обратите внимание, что в некоторых учебниках по химии и биологии «$ε$» используется для обозначения «$κ$». Это вводит в заблуждение, поскольку символы «$ε$» и «$ε_0$», которые появляются в одном и том же контексте, имеют разные единицы измерения. Вы часто видите, что такие вещи, как $εε_0$ в одном уравнении, означают $κε_0$. Тогда очень трудно держать юниты прямо.

Стоимость модели игрушки

Что мы узнаем из нашей игрушечной модели? Глядя на все выводы, выделенные курсивом выше, совсем немного.

0 comments on “Диэлектрики в электрическом поле кратко: Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.