Новости звезд
Чему равна напряженность электрического поля внутри диэлектрика
Напряженность поля в диэлектрике. Электрическое смещение.
Рассмотрим диэлектрическую пластинку, заполняющую плоский конденсатор (рис.14.5) и находящуюся, следовательно, в практически однородном внешнем поле .
В результате поляризации на гранях диэлектрика, обращенных к пластинам конденсатора, концы молекулярных диполей окажутся нескомпенсированными соседними диполями. Поэтому на правой грани, обращенной к отрицательной пластине конденсатора, окажется избыток положительного заряда с некоторой поверхностной плотностью . На противоположной стороне диэлектрика . Эти так называемые поляризационные, или связанные заряды не могут быть переданы соприкосновением другому телу без разрушения молекул диэлектрика, т.к. они обусловлены самими поляризованными молекулами. Возникновение поляризованных зарядов приводит к возникновению дополнительного электрического поля , направленного против внешнего поля . Результирующее электрическое поле Е внутри диэлектрика равно
Квадратичный член в знаменателе приводит к быстрому уменьшению напряженности электрического поля с расстоянием точки заряда. Линии потока всегда простираются от положительно заряженного тела до отрицательно заряженного тела, возникают или заканчиваются перпендикулярно заряженной поверхности и никогда не пересекаются. Для двух одинаковых или противоположных зарядов полярности поток потоков будет отображаться как на рисунке.
Притяжение и отталкивание между зарядами можно объяснить с точки зрения электрического поля и его линий. На чертеже линии потока не чередуются, но, как правило, действуют как амортизаторы, избегая притяжения и провоцирования отталкивания. Поскольку интенсивность электрического поля больше для каждого заряда, тем больше мы стремимся приблизить два заряда, тем сильнее отталкивание между ними. На рисунке линии потока, проходящие от положительного заряда, заканчиваются отрицательным зарядом. Основной закон гласит, что линии электрического потока имеют тенденцию всегда быть как можно короче; поэтому две нагрузки будут притягиваться друг к другу.
Свяжем с вектором поляризации Р. Для этого определим полный дипольный момент (во всем объеме) диэлектрика. Осуществим это двумя способами:
С одной стороны Р по определению дипольный момент единицы объема и если умножим на V, получим полный дипольный момент
|
В этом случае чем ближе нагрузки, тем больше притяжение между ними из-за увеличения интенсивностей полей. Мы медленно продвигаемся от фундаментальных тем к вопросам, имеющим практическое значение. Те из абстрактных разработок, которые мы до сих пор обрабатывали, будут служить нам для интерпретации некоторых ситуаций, которые представлены устройствами или устройствами практики. На самом деле изобретение этих устройств представляет собой применение основ для достижения практической цели. Следует отметить, что по мере перехода к практическим вопросам мы отходим от атома и приближаемся к человеческому масштабу. |
где S - площадь пластины конденсатора.
С другой стороны рассмотрим диэлектрик как большой диполь, у которого с одной стороны заряд , а с другой и расстояние d. Отсюда
Величина
называется диэлектрической проницаемостью или относительной диэлектрической проницаемостью. Диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз уменьшается напряженность в диэлектрике по сравнению с напряженностью в вакууме. и , т.е. с ростом температуры диэлектрические свойства ухудшаются.
Короче говоря, мы начнем этот путь с применения основных понятий к практическим вопросам с изучением. Теперь он называется конденсатором для устройства, которое хранит электрический заряд. Конденсатор образован двумя проводниками рядом друг с другом, разделенными изолятором, так что они могут заряжаться одинаково, но с противоположностями.
В своей простейшей форме конденсатор образован двумя металлическими пластинами или параллельными подкреплениями той же поверхности и облицовки, отделенной непроводящим или диэлектрическим листом. Когда одна из пластин соединена с одним генератором, она заряжается и вызывает заряд противоположного знака на другой пластине.
В неоднородной диэлектрической среде имеет различные значения, изменяясь на границах диэлектриков скачкообразно (претерпевая разрыв). Это затрудняет применение формул, описывающих взаимодействие зарядов в вакууме. Что касается теоремы Гаусса, то в этих условиях она вообще теряет смысл. В самом деле, благодаря различной поляризуемости разнородных диэлектриков напряженности поля в них будут различными. Поэтому различно и число силовых линий в каждом диэлектрике (рис.14.6).
Конденсаторы изготавливаются в различных формах и могут быть заказаны в соответствии с потребностями каждого из них. Его характеристики зависят в основном от типа используемого диэлектрика, так что имена различных типов соответствуют названиям используемого диэлектрика, поэтому мы можем различать следующие типы.
Энергия, накопленная в конденсаторе, будет равна той, которая реализуется для переноса нагрузок одной пластины на другую, преодолевая разность потенциалов, существует. Характеризуется высокой стабильностью, с коэффициентом хорошо определенной и почти постоянной.
Часть линий, исходящих из зарядов, окруженных замкнутой поверхностью, будет заканчиваться на границе раздела диэлектриков и не пронижет данную поверхность. Это затруднение можно устранить, введя в рассмотрение новую физическую характеристику поля – вектор электрического смещения
Его температурный коэффициент практически не определен, и помимо представления нелинейных характеристик его мощность значительно варьируется от температуры, напряжения и работы. Они характеризуются их высокой разрешающей способностью. Высокие диэлектрические постоянные, характерные для керамики, обеспечивают широкие возможности механического и электрического.
В форме уравнения, которое дало бы следующее. Емкость конденсатора зависит от типа диэлектрика, площади пластин и расстояния между ними. Среда, разделяющая пластины из конденсатора, называется диэлектриком и состоит из непроводящего материала. Сам воздух является диэлектриком, и многие сотрудники в электронных приложениях имеют диэлектрическое разнообразие воздуха. Различные диэлектрики производят разные мощности. Например, конденсатор будет обвинять увеличение мощности, если его диэлектрик представляет собой слюду, а не воздух.
Вектор направлен в ту же сторону, что и . В отличие от напряженности поля вектор имеет постоянное значение во всех диэлектриках. Поэтому электрическое поле в неоднородной диэлектрической среде удобнее характеризовать не напряженностью , а смещением . С этой целью вводится понятие линий вектора и потока смещения, аналогично понятию силовых линий и потока напряженности
Способность диэлектрического материала увеличивать емкость называется диэлектрической проницаемостью, жесткостью. Когда диэлектрическая проницаемость больше, емкость увеличивается. Все документы, доступные на этом сайте, выражают мнение их авторов, а не сайта. Целью сайта является предоставление знаний всему сообществу.
Цели: после завершения этого модуля вы: Определите емкость с точки зрения нагрузки и напряжения и вычислите емкость для параллельного пластинчатого конденсатора, учитывая разделение и площадь из пластин. Определите диэлектрическую постоянную и примените ее к расчетам напряжения, напряженности электрического поля и емкости. Аккумулятор устанавливает разность потенциалов, которая может накачивать электронные электроны от земли до проводника. Существует некоторая способность сохранять груз. Емкость в фарадах Фарадом является емкость С проводника, имеющего зарядную кулон для каждого потенциального напряжения. Что такое емкость? Это верно для всех похитителей. Диэлектрическая прочность Диэлектрическая прочность материала представляет собой электрический ток, при котором материал становится проводником. Он значительно варьируется в зависимости от физических и экологических условий, таких как давление, влажность и поверхности. Емкость и формы Плотность заряда на поверхности существенно зависит от кривизны. Пластины параллельного пластинчатого конденсатора имеют площадь 4 м2 и разделены 3 мм на воздухе. Какова емкость? Диэлектрические материалы Большинство конденсаторов имеют диэлектрический материал между их пластинами, чтобы обеспечить большую диэлектрическую жесткость и меньшую вероятность поражения электрическим током. Преимущества диэлектриков Меньше разделения бесконтактных пластин. Увеличивает емкость конденсатора. Более высокие напряжения могут использоваться без разрушительного разряда. Он часто обеспечивает большую механическую прочность. Пример 4. Аккумулятор заряжает конденсатор до 400 В, а затем отключается. Каково новое напряжение, если вставлен информационный лист? Заряженная мощность конденсатора. Плотность энергии для конденсатора Плотность энергии и - энергия на единицу объема.
- Найдите потенциальную энергию, хранящуюся в конденсаторах.
- Максимальная нагрузка на проводник.
Используя теорему Гаусса
домножим обе части на
Следует отметить, что в случае электрического поля нет ничего материала, который действительно циркулирует через эту поверхность. Как показано на предыдущем рисунке, количество полевых линий, пересекающих данную область, зависит от ориентации последних относительно линий поля. Поэтому поток электрического поля должен определяться таким образом, чтобы учесть этот факт.
Поток электрического поля представляет собой скалярную величину, определяемую скалярным произведением. Закрытая поверхность, используемая для расчета потока электрического поля, называется гауссовой поверхностью. Чтобы применить закон Гаусса, необходимо заранее знать направление и смысл полевых линий, генерируемых распределением нагрузки. Выбор гауссовой поверхности будет зависеть от того, как эти линии.
С учетом (14.8) получаем
|
|
Это уравнение выражает теорему Гаусса для вектора электрического смещения: полный поток вектора электрического смещения через произвольную замкнутую поверхность равен сумме свободных зарядов, заключенных в этой поверхности.
Поле, созданное бесконечной плоскостью
Электрическое поле, созданное заряженной бесконечной плоскостью, может быть рассчитано по закону Гаусса. На следующем рисунке показана бесконечная плоскость, нагруженная однородной и положительной поверхностной плотностью заряда σ. Линии поля всегда выходят из положительных зарядов, поэтому поле, созданное плоскостью, будет равномерным, и его линии будут выходить по обеим сторонам плоскости.
Поток электрического поля через любую замкнутую поверхность всегда один и тот же; в этом случае для простоты вычислений выбрана цилиндрическая гауссова поверхность. Поток через боковую поверхность цилиндра равен нулю. Единственными ненулевыми вкладами в поток являются те, которые происходят через две его базы. Поток электрического поля через цилиндр тогда.
Диэлектрики – вещества, обладающие малой электропроводностью, т.к. у них очень мало свободных заряженных частиц – электронов и ионов. Эти частицы появляются в диэлектриках только при нагреве до высоких температур.
Существуют диэлектрики газообразные (газы, воздух), жидкие (масла, жидкие органические вещества) и твердые (парафин, полиэтилен, слюда, керамика и т.п.).
Поле внутри конденсатора
Так как два основания цилиндра одинаковы и модуль поля одинаковый во всех точках его поверхности, предыдущий интеграл упрощается, оставляя. Величина потока определяется законом Гаусса. Конденсатор представляет собой устройство, образованное двумя проводниками, обычно в виде пластин, цилиндров или лопастей, разделенных вакуумом или диэлектрическим материалом, который используется для хранения электрической энергии.
Этот тип конденсатора называется плоскопараллельным. Модуль электрического поля, созданный каждой из емкостных пластин, как показано в предыдущем примере, задается. Линии электрического поля, создаваемые положительно заряженной пластиной, направлены от нее, что противоположно тому, что происходит для отрицательно заряженной пластины.
Молекула диэлектрика, как и молекула любого другого вещества, электрически нейтральна. Это означает, что суммарный отрицательный заряд электронов равен суммарному положительному заряду ядер. Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул, либо из заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки.
Диэлектрики – вещества, не имеющие свободных зарядов, а потому не способные проводить постоянный электрический ток. Делятся на две группы: неполярные и полярные диэлектрики . Они различаются строением молекул.
Что такое электромагнетизм?
Поэтому на внешней стороне конденсатора поле равно нулю, а во внутренности его модуль в два раза больше поля, которое создавало бы одну из пластин. Конденсаторы используются в электронных схемах как устройства для хранения энергии. Можно сказать, что гравитационное поле существует в области пространства, когда при помещении массы в эту область такая масса подвергается гравитационной силе. Гравитационное поле можно понимать как физическое сущность, которая передает всему пространству информацию о существовании массы и при размещении другой массы в этой области будет проверяться существование силы гравитационного происхождения, действующей в этой массе. Мы рассматриваем понятие поля как нечто ответственное за посредничество взаимодействия тел на некотором расстоянии друг от друга, являясь альтернативой идее действия на расстоянии. Свойства проводника в электростатическом равновесии Распределенные нагрузки на внешнюю поверхность. Молния, которая представляет собой интенсивную светимость, которая появляется на пути разряда. Большинство лучей происходит внутри самого облака, и только 10% попадают в 5 других типов. «Длинные» лучи, которые могут вызвать пожары и даже производить слияние металлов, и «коротких» длительностей, которые производят сильные громы.
- Понятие поля возникло из-за необходимости объяснять действие сил на расстоянии.
- Заряд влияет на пространство вокруг вас.
- Положительный и незначительный.
- Не влияет на загрузку, создавая.
- Нет необходимости иметь тестовую нагрузку для электрического поля.
- Поле на поверхности проводника перпендикулярно поверхности.
- Более интенсивное поле в наиболее острых частях.
- Нулевое поле внутри драйвера.
- Радиус определяется двумя характеристиками.
- От облака в сторону.
Если у молекулы в отсутствие внешнего электрического поля центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают , то есть дипольный момент молекулы, то такие молекулы называются неполярными . К ним относятся молекулы H2, O2, N2. Неполярные диэлектрики не ведут себя как диполи .
Молекулы, у которых в отсутствие внешнего поля центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают , то есть существует дипольный момент , называются полярными . К ним относятся H2O, CO, NH, HCl, SO4 и др. Молекулы полярных диэлектриков с точки зрения электрических свойств являются диполями.
Полярные молекулы обладают собственным дипольным моментом р, неполярные – нет .
Третью группу диэлектриков (NaCl, KCl, КВr, ...) составляют вещества, молекулы которых имеют ионное строение . Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков. В этих кристаллах нельзя выделить отдельные молекулы, а рассматривать их можно как систему двух вдвинутых одна в другую ионных подрешеток. При наложении на ионный кристалл электрического поля происходит некоторая деформация кристаллической решетки или относительное смещение подрешеток, приводящее к возникновению дипольных моментов.
В электрическом поле любой диэлектрик становится полярным, т.е. способен поляризоваться под воздействием внешнего электрического поля.
ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появление под воздействием электрического поля ориентированных по полю диполей, т.е. возникновение дипольного момента в диэлектрике называется ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ.
Под действием внешнего электрического поля происходит поляризация диэлектрика:
Если диэлектрик состоит из неполярных молекул , то в пределах каждой молекулы происходит смещение зарядов - положительных по полю, отрицательных против поля.
Слева изображена симметричная электронная орбита в атоме неполярного диэлектрика. При наложении внешнего поля E0 эта орбита деформируется (рис. справа): электрон смещается в сторону положительных зарядов, создающих внешнее поле. Центры положительных и отрицательных зарядов в атоме неполярного диэлектрика разойдутся в разные стороны. То есть получаем как бы диполь, но не диполь.
Если же диэлектрик состоит из полярных молекул , то при отсутствии внешнего электрического поля молекулы-диполи полярного диэлектрика, совершая хаотическое тепловое движение, ориентированы в самых разных направлениях. Электрические поля этих диполей полностью компенсируют друг друга, и результирующее поле равно нулю во всех областях диэлектрика. Но если поместить такой диэлектрик во внешнее поле E0, то оно «развернёт» диполи так, что они окажутся ориентированными вдоль линий напряжённости («минусы» диполей повернутся влево - к тем «плюсам», которые создают внешнее поле).
Независимо от механизма поляризации в этом процессе все положительные заряды смещаются по полю, а отрицательные - против поля. Смещения зарядов в обычных условиях весьма малы даже по сравнению с размерами молекул, это связано с тем, что напряженность внешнего поля Е0, действующего на диэлектрик, значительно меньше напряженности внутренних электрических полей Е’ в молекулах .
Необходимо отметить две группы поляризации :
- упругая поляризация , протекающая практически мгновенно под действием электрического поля, не сопровождающаяся рассеянием (потерями) энергии в диэлектрике (выделением теплоты);
- релаксационная поляризация , нарастающая и убывающая в течение некоторого промежутка времени и сопровождающаяся рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием.
Типы поляризации :
Трём типам диэлектриков соответствуют три типа поляризации
ЭЛЕКТРОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ – возникновение дипольного момента в неполярных молекулах. Под действием поля электрон смещается в сторону положительных зарядов, создающих внешнее поле. Центры положительных и отрицательных зарядов в атоме неполярного диэлектрика разойдутся в разные стороны. Электронная поляризация обусловлена смещением электронной оболочки атома относительно ядра во внешнем поле.
ИОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ – Поляризация обусловлена смещением упруго связанных ионов. Характерна для твердых тел с ионным строением, т.е. для кристаллических диэлектриков. Всякий ионный кристалл состоит из положительных и отрицательных ионов, расположенных в узлах кристаллической решетки. При наложении напряжения в нем начинают действовать электрические силы, и ионы смещаются: положительные – в одном направлении (вдоль поля), отрицательные – в противоположном (против поля).
Электронная и ионная поляризации относятся к упругой поляризации.
ОРИЕНТАЦИОННАЯ (ДИПОЛЬНАЯ) ПОЛЯРИЗАЦИЯ – возникновение дипольного момента в диэлектрике с полярными молекулами вследствие ориентации дипольных моментов молекул по направлению поля. Тепловое движение препятствует полной ориентации молекул, но в результате совместного действия обоих факторов (электрическое поле и тепловое движение) возникает преимущественная ориентация дипольных моментов молекул по полю. Эта ориентация тем сильнее, чем больше напряженность электрического поля и ниже температура.
У полярных диэлектриков диполи существуют от природы без всякого внешнего поля, но ориентированы хаотически. Во внешнем поле диполи поворачиваются и выстраиваются вдоль линий внешнего поля, происходит поляризация, которая называется ориентационной.
Напряженность поля в диэлектрике .
В результате поляризации молекула приобретает дипольный момент, величина которого пропорциональна полю
где α – поляризуемость молекулы (характеризует «реакцию» молекулы на электрическое поле). α – характеристика 1 атома или иона.
Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε .
В качестве величины, характеризующей степень поляризации диэлектрика, принимается вектор ПОЛЯРИЗОВАННОСТИ - дипольный момент единицы объема (или плотность дипольного момента)
где χ – ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ВОСПРИМЧИВОСТЬ вещества, показывает, как диэлектрик реагирует (воспринимает) на внешнее электрическое поле.
χ – величина безразмерная; притом всегда χ > 0. Для большинства диэлектриков эта величина порядка 1, но для воды она равна 80, а для спирта – 30.
Диэлектрическая восприимчивость зависит от: химического состава и примесей, агрегатного состояния и температуры для полярных диэлектриков.
Если α – характеристика отдельной молекулы (иона), χ – характеристика всего диэлектрика, то есть характеристика вещества в целом. χ не зависит от и в слабых полях.
\Если между пластинами плоского конденсатора поместить слой диэлектрика, то в результате поляризации положительные заряды в диэлектрике сместятся по полю, а отрицательные – против поля, и на правой грани (по рисунку) возникнет избыток положительных, а на левой гране – избыток отрицательных зарядов с поверхностной плотностью +σ’ и –σ’. Эти заряды создадут внутри диэлектрической пластины однородное поле, напряженность которого по теореме Гаусса равна
Безразмерная величина называется ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ среды.
Диэлектрическая проницаемость среды - это физическая величина, показывающая, во сколько раз модуль напряженности электрического поля внутри однородного диэлектрика меньше модуля напряженности поля в вакууме.
Она вводится для характеристики электрических свойств диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость среды показывает во сколько раз поле ослабляется диэлектриком.
Диэлектрическая проницаемость воздуха и большинства других газов в нормальных условиях близка к единице (в силу их низкой плотности). Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8. Диэлектрическая постоянная воды в статическом поле достаточно высока - около 80. Велики её значения для веществ с молекулами, обладающими большим электрическим дипольным моментом.
Электрическое смещение .
Для описания электрического поля, в частности, в диэлектрике, вводят в рассмотрение вектор электрического смещения (вектор электростатической индукции) , равный
Результирующее поле в диэлектрике описывается вектором напряженности. зависит от свойств диэлектрика (от ε). Вектором описывается электростатическое поле, создаваемое свободными зарядами. Связанные заряды, возникающие в диэлектрике, могут вызвать перераспределение свободных зарядов, создающих поле. Поэтому вектор характеризует электростатическое поле, создаваемое свободными зарядами (т.е. в вакууме), но при таком их распределении в пространстве, какое имеется при наличии диэлектрика.
Аналогично, как и поле Е, поле D изображается с помощью линий электрического смещения, направление и густота которых определяются точно так же, как и для линий напряженности.
Линии вектора Е могут начинаться и заканчиваться на любых зарядах - свободных и связанных, в то время как линии вектора D - только на свободных зарядах. Через области поля, где находятся связанные заряды, линии вектора D проходят не прерываясь.
Для произвольной замкнутой поверхности S поток вектора D сквозь эту поверхность
Поток вектора смещения электростатического поля в диэлектрике сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности свободных электрических зарядов.
В такой форме теорема Гаусса справедлива для электростатического поля как для однородной, так и для неоднородной сред.
