36. Диэлектриками icon

36. Диэлектриками




Скачать 116.03 Kb.
Название36. Диэлектриками
Дата31.10.2012
Размер116.03 Kb.
ТипДокументы
источник
1. /физика/Физика (начало).doc
2. /физика/Физика (продлжение).doc
3. /физика/серединка.doc
Свободно движущегося с нерелятивистской скоростью
36. Диэлектриками
Закон сохранения электрического заряда

36.

Диэлектриками называют вещества, которые при обычных условиях практически не проводят электрический ток. Согласно представлениям классической физики в диэлектриках в отличие от проводников нет свободных зарядов – заряженных частиц, которые могли бы прийти под действием электрического поля в упорядоченное движение и образовать электрический ток. К диэлектрикам относятся все газы, если они не подвергаются ионизации, некоторые жидкости (бензол, растительные и синтетические масла) и твердые вещества (фарфор, стекло, парафин, кварц и др.). Удельное электрическое сопротивление диэлектриков ρ~ Ом·м.

Все молекулы диэлектрика электрически нейтральны, т.е. суммарный заряд электронов и атомных ядер, входящих в состав молекулы, равен нулю. Тем не менее, молекулы обладают электрическими свойствами.

Диэлектрик называется неполярным, если в отсутствие внешнего электрического поля центры распределения положительных и отрицательных зарядов в молекулах совпадают () и дипольные моменты равны нулю.

Если поместить неполярный диэлектрик (бензол, парафин, полиэтилен, N2, H2, O2 и др.) во внешнее электрическое поле напряженностью Е, то происходит деформация электронных оболочек атомов и молекул положительные и отрицательные заряды молекул смещаются в противоположные стороны и центры распределения этих зарядов перестают совпадать (). Такие деформированные молекулы можно рассматривать как электрические диполи, оси которых направлены вдоль поля.

Таким образом, неполярная молекула диэлектрика приобретает во внешнем электрическом поле индуцированный (наведенный) дипольный момент р, пропорциональный напряженности внешнего поля


где поляризуемость молекулы, зависящая только от ее объема. Неполярная молекула подобна упругому диполю, длина плеча которого пропорциональна растягивающей силе, т.е. пропорциональна напряженности внешнего электрического поля.

Диэлектрик называется полярным, если он состоит из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают даже в отсутствие внешнего электрического поля (). К полярным диэлектрикам относятся фенол, нитробензол и др.

Во внешнем электрическом поле напряженностью полярная молекула диэлектрика также деформируется, однако эта деформация незначительна и можно считать, что полярная молекула по своим свойствам подобна жесткому диполю, у которого имеется постоянный по модулю электрический момент ().

Смещение положительных и отрицательных зарядов диэлектрика во внешнем электрическом поле называется поляризацией. Другими словами, при внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле в любом макроскопически малом объеме вещества возникает отличный от нуля суммарный дипольный электрический момент молекул. Диэлектрик, находящийся в таком состоянии, называется поляризованным.

В зависимости от строения молекул диэлектрика различают три вида поляризации.

1. Электронная (деформационная) поляризация. Она наблюдается у неполярных диэлектриков. Под действием внешнего поля у молекул диэлектриков этого типа возникают индуцированные дипольные моменты направленные вдоль поля, т.е. по направлению вектора . Время установления этой поляризации порядка 10-15 с.

2. Дипольная (ориентационная) поляризация. Она наблюдается у полярных диэлектриков. Внешнее электрическое поле стремится ориентировать дипольные моменты полярных молекул – жестких диполей – по направлению вектора напряженности поля. Этому препятствует хаотическое тепловое движение молекул, вызывающее беспорядочный разброс диполей. В итоге совместного действия поля и теплового движения возникает преимущественная ориентация дипольных электрических моментов вдоль поля, возрастающая с увеличением напряженности и с уменьшением температуры. Эта поляризация устанавливается за время порядка 10-10 с.

3. Ионная поляризация. Она происходит в твердых диэлектриках, имеющих ионную кристаллическую решетку. Внешнее электрическое поле вызывает в таких диэлектриках смещение всех положительных ионов в направлении вектора напряженности поля, а всех отрицательных ионов – в противоположную сторону. Это происходит за время порядка 10-13 с.

Количественной мерой поляризации диэлектрика служит вектор Р, называемый поляризованностью или вектором поляризации, равный отношению дипольного момента малого объема диэлектрика к этому объему:

(1.30)

где электрический дипольный момент i-молекулы; n - общее количество молекул в объеме . Этот объем должен быть столь малым, чтобы в его пределах электрическое поле можно было считать однородным.

Электрическое поле в диэлектрике создается как свободными, так и связанными зарядами. Вектор напряженности характеризует результирующее поле. Однако первичным источником электрического поля в диэлектрике являются свободные заряды, так как поле связанных зарядов возникает в результате поляризации диэлектрика при помещении его в поле системы свободных зарядов. В свою очередь, поле связанных электрических зарядов может вызвать перераспределение свободных зарядов и соответственно изменить их поле.

Как следует из рис. 1.16, линии напряженности претерпевают разрыв на границе диэлектрик – вакуум (а), а линии электрического смещения остаются непрерывными (б). Непрерывность линий электрического смещения облегчает вычисление при заданном распределении зарядов.

Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике формулируется следующим образом: поток вектора смещения электростатического поля в диэлектрике сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности свободных электрических зарядов, т.е.




Диэлектрическая проницаемость среды.

называется диэлектрическая проницаемость среды. Это безразмерная величина, большая единицы. показывает, во сколько раз электрическое поле ослабляется диэлектриком, количественно характеризуя свойство диэлектрика поляризоваться во внешнем поле.


38.

Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц или заряженных макроскопических тел. Различают два вида электрических токов – токи проводимости и конвекционные токи.

Током проводимости называют упорядоченное движение в веществе или вакууме свободных заряженных частиц – электронов проводимости (в металлах), положительных и отрицательных ионов (в электролитах), электронов и положительных ионов (в газах), электронов проводимости и дырок (в полупроводниках), пучков электронов (в вакууме). Этот ток обусловлен тем, что в проводнике под действием приложенного электрического поля напряженностью Е происходит перемещение свободных электрических зарядов

Закон Ома для участка цепи сила тока в однородном проводнике пропорциональна разности потенциалов на его концах и обратно пропорциональна сопротивлению проводника (закон Ома для участка цепи): где Rэлектрическое сопротивление проводника, определяющее упорядоченность перемещения свободных носителей тока.


39.Зависимость проводимости материалов от t.

Из рассмотрения проводимости металлов следует, что их сопротивление обусловлено взаимодействием носителей с колеблющимися ионами. Поскольку с повышением температуры амплитуда тепловых колебаний увеличивается, и носители начинают чаще сталкиваться с ними, можно сделать заключение о том, что с повышением температуры сопротивление проводников должно увеличиваться. Для полупроводников же картина обратная – чем выше температура, тем больше носителей, т.е. сопротивление полупроводников падает с повышением температуры.

С понижением температуры сопротивление проводников должно уменьшаться, достигая минимума при абсолютном нуле. Однако в действительности при низких, но конечных температурах сопротивление некоторых металлов скачком падает до нуля. Это явление было открыто в 1911 г и получило название сверхпроводимости. Долгое время для его наблюдения требовались температуры, близкие к температуре жидкого гелия, и лишь сравнительно недавно удалось повысить температуру сверхпроводящего перехода до значения 90-100 К. Сверхпроводимость стало возможным наблюдать при температуре жидкого азота. Природа возникновения сверхпроводимости может быть объяснена только в рамках квантовой теории

.Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца

Рассмотрим однородный проводник, по концам которого приложено напряжение U. За время dt через поперечное сечение проводника переносится заряд . Так как ток представляет собой перемещение заряда dq под действием электрического поля, работа тока есть




Используя закон Ома для однородного участка цепи, формулу можно представить в виде



Мощность электрического тока – это быстрота совершения работы, т.е.



Единица мощности – ватт. Если ток протекает по неподвижному металлическому проводнику, то вся работа тока затрачивается на его нагревание и по закону сохранения энергии



Таким образом

Количество теплоты, выделяющееся за конечный промежуток времени от 0 до t при прохождении постоянного тока силой I найдем, интегрируя выражение



Таким образом, количество теплоты, которое выделяется в проводнике с током, пропорционально квадрату силы тока, времени его протекания и сопротивлению проводника. Выражение есть закон Джоуля-Ленца для участка цепи постоянного тока. Он был установлен экспериментально Д. Джоулем (1841) и независимо от него Э.Х. Ленцем (1842).

Выделим в проводнике элементарный цилиндрический объем (ось цилиндра совпадает с направлением тока). Сопротивление этого элементарного объема Тогда по закону Джоуля-Ленца за время dt в этом объеме выделится теплота:




Количество теплоты, выделяющееся за единицу времени в единице объема, называется удельной тепловой мощностью электрического тока:



Используя дифференциальную форму закона Ома (2.11) и соотношение , получим:

(2.19)

Формула (2.19) является обобщенным выражением закона Джоуля-Ленца в дифференциальной форме, пригодным для любого проводника.


40. Закон Ома.

Для выяснения закономерностей постоянного тока обратимся к упрощенной микроскопической картине. Рассмотрим отдельный заряд величиной q 0 , являющийся одним из носителей тока в проводнике ( для металлов q0 = -е, где е – заряд электрона). В силу теплового движения каждый заряд движется хаотически, а под действием сторонних сил он приобретает еще и направленное движение. При хаотическом движении заряд постоянно сталкивается с ионами, масса и размеры которых значительно больше аналогичных параметров носителя. Ионы также участвуют в тепловом движении, но это, в основном, колебательные движения, амплитуда которых увеличивается с температурой. Носители, сталкиваясь с ионами, на какое – то мгновение как бы прилипают к последним (разноименные заряды стремятся притянуться друг к другу). На языке механики это означает, что носители испытывают неупругие столкновение с ионами так, что новый путь они начинают с нулевой скоростью направленного движения. Пусть время между двумя последовательными соударениями равно . Тогда под действием напряженности носитель за это время приобретет скорость u =a. Ускорение а =F/m = q0 E/m; m – масса носителя. Вводя понятие плотности тока j , которое определяется как количество зарядов, проходящих через единичную площадку, перпендикулярную вектору скорости, можно записать:

где .

Величина , определенная таким способом, называется электропроводностью материала, а обратная ей =1/ -удельным электросопротивлением. Нетрудно заметить, что плотность тока – вектор, направление которого совпадает с направлением вектора скорости. Соотношение j =E носит название закона Ома в дифференциальной (векторной) форме.

Если однородный проводник имеет длину l и площадь поперечного сечения S, то закон Ома для такого проводника может быть записан в несколько ином виде. Для этого умножим обе части соотношения j =E на произведение lS и учтем, что для однородного проводника поле внутри его везде одинаково, т.е. однородно, и El =U – разность потенциалов на концах про-водника. Тогда получим:

jSl =El S.

Введем понятие силы тока I = (jS) и обозначим l/ S =R, теперь наше соотношение приобретает обычный вид: U =IR, где U – напряжение на концах проводника, а I –сила тока.

Сила тока – скалярное произведение плотности тока и площади, которой в этом случае при-писываются векторные свойства ( направление вектора определяется как и прежде направ-лением внешней нормали к площади). Величина R называется сопротивлением проводника.

Для соединения нескольких проводников величина общего сопротивления R0 находится по известным правилам: для последовательного соединения R0 = Ri , а для параллельного

.

Если на рассматриваемом участке имеется источник тока с ЭДС E , как уже отмечалось, об-щее напряжение складывается из разности потенциалов и ЭДС, т.е.

U =IR +E .

Этот вариант записи соотношения между током и напряжением носит название закона Ома для участка цепи, содержащей ЭДС. Здесь важно учитывать правило знаков: считается, что положительный ток проходит от положительного полюса элемента к отрицательному; при заданном направлении тока через рассматриваемый участок, ЭДС считается положительной, если она создает ток в этом же направлении и отрицательной – если в противоположном. Для замкнутой цепи очевидно, что концы проводника замыкаются сами на себя и U=0. Тогда закон Ома примет вид

E = (R + r)I,

где r – внутреннее сопротивление источника тока.

Соединение

Последовательное

Параллельное

Соединение

Последовательное

Параллельное

Постоянный параметр цепи





Суммируемая величина





Общее сопротивление цепи





Общее сопротивление цепи из n одинаковых проводников







35. Электрический диполь – это система двух равных по модулю разноименных точечных зарядов, расстояние между которыми значительно меньше расстояний до рассматриваемых точек поля.

Вектор, направленный по оси диполя (прямой, проходящей через оба заряда) от отрицательного заряда к положительному и равный расстоянию между ними, называется плечом диполя . Вектор



совпадающий по направлению с плечом диполя и равный произведению величины заряда на плечо, называется электрическим моментом диполя или дипольным моментом.

Согласно принципу суперпозиции напряженность поля диполя в произвольной точке



где напряженности полей, создаваемых соответственно положительным и отрицательным зарядами диполя.

В данном случае вектор напряженности результирующего поля в точке направлен по оси диполя и по модулю равен



Обозначив расстояние от точки А до середины оси диполя через r, на основании формулы для вакуума можно записать:





Согласно определению диполя , поэтому




Похожие:

36. Диэлектриками iconДокументи
1. /tester/Гармонические колеба.txt
2. /tester/Диэлектриками.doc
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©lib3.podelise.ru 2000-2013
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Лекции
Доклады
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Программы
Методички
Документы

опубликовать

Документы