Электрическое поле внутри диэлектрика

Вещества, в которых отсутствуют свободные заряды, называют диэлектриками. В диэлектриках электрические заряды связаны друг с другом. 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. Полярные диэлектрики. В молекулах некоторых веществ центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие диэлектрики называют полярными диэлектриками. Полярный диэлектрик состоит из молекул, которые можно рассматривать как электрические диполи. При внесении полярных диэлектриков в электростатическое поле происходит смещение положительных и отрицательных зарядов диполя в противоположные стороны. Такое явление называется поляризацией. Рис. 1. Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика Молекула полярного диэлектрика поворачивается в электростатическом поле. К полярным диэлектрикам относятся, например, молекула воды, а также молекулы ряда других диэлектриков (H2S, NO2 и т. д.). В результате на поверхности диэлектрика появляется связанный поверхностный заряд, внутри диэлектрика отрицательные и положительные заряды компенсируют друг друга, и общий электрический заряд внутри проводника равен нулю. Поляризация полярных диэлектриков сильно зависит от температуры, так как тепловое движение молекул играет роль дезориентирующего фактора. Неполярные диэлектрики. Диэлектрики, в которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают, называются неполярными. При внесении неполярного диэлектрика в электростатическое поле на положительные и отрицательные частицы начинают действовать силы, направленные в противоположные стороны. В результате центры положительных и отрицательных зарядов перестают совпадать. Такие деформированные молекулы можно рассматривать как диполи. К числу неполярных диэлектриков относятся кислород, инертные газы, метан. У метана четырехкратно ионизированный ион углерода располагается в центре правильной пирамиды, в вершинах которой находятся ионы водорода При наложении внешнего электрического поля ион углерода смещается из центра пирамиды, и у молекулы возникает дипольный момент, пропорциональный внешнему полю. Рис.  2. Поляризация атома Рис. 3. Поляризация неполярного диэлектрика На поверхности неполярного диэлектрика появляется связанный поверхностный заряд, как и у полярного диэлектрика.

Диэлектрики в электростатическом поле – кратко о двух видах диэлектриков, поляризация и напряженность (10 класс)

4.3

Средняя оценка: 4.3

Всего получено оценок: 124.

4.3

Средняя оценка: 4.3

Всего получено оценок: 124.

В диэлектрике мало свободных носителей заряда. Поэтому электрическое поле не может создать в диэлектрике ток. Однако, вещество диэлектрика также взаимодействует с электрическим полем. Кратко рассмотрим этот процесс.

Диэлектрик в электростатическом поле

Опыты показывают, что если внести даже незаряженный диэлектрик в электростатическое поле, он начнет взаимодействовать с ним. Проще всего наблюдать это взаимодействие, взяв расческу, наэлектризованную от расчесывания, и поднести к мелким кусочкам бумаги:

Рис. 1. Притяжение расческой мелких кусочков бумаги.

Бумага является диэлектриком, и в данном опыте кусочки незаряжены. Однако, при возникновении рядом с ними внешнего поля заряженной расчески, они начинают притягиваться, словно в них появляется заряд.

Можно провести ряд аналогичных опытов, используя заряженный электроскоп. Поднесение к заряженному электроскопу даже незаряженного диэлектрика всегда будет влиять на распределение заряда в электроскопе, и немного колыхать его стрелку. У разных диэлектриков это явление выражено по-разному, однако, оно всегда присутствует.

Почему незаряженный диэлектрик взаимодействует с электростатическим полем ?

Полярные и неполярные диэлектрики

Для ответа на поставленный вопрос рассмотрим состав вещества. К 10 классу уже известно, что атомы любого вещества состоят из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядер равен заряду электронов, поэтому в целом вещество электрически нейтрально.

Однако, в пространстве электрический заряд может быть распределен по-разному.

Например, ядра и электроны могут быть расположены симметрично. В этом случае центр распределения положительного и отрицательного заряда совпадает. Скажем, в молекуле углекислого газа два атома кислорода располагаются симметрично по разные стороны от атома углерода.

Рис. 2. Пространственная структура молекулы углекислого газа.

У других веществ распределение положительных и отрицательных зарядов несимметрично. К таким веществам, например, относится обычная вода. В молекуле воды имеется один двухвалентный атом кислорода, и два атома водорода, образующие равнобедренный треугольник, в котором угол при вершине (атоме кислорода) составляет около 105⁰.

Рис. 3. Пространственная структура молекулы воды.

Получается, что в вершине треугольника отрицательные электроны расположены плотнее, чем в его основании. А положительная вершина имеет более концентрированный двойной заряд, по сравнению с более распределенным положительным зарядом основания. Все это приводит к тому, что центр отрицательного заряда в молекуле воды расположен ближе к вершине треугольника, и не совпадает с центром положительного заряда.

Таким образом, существует два вида диэлектриков – полярные и неполярные, у которых распределение заряда несимметрично и симметрично соответственно.

Поляризация диэлектрика

Итак, хотя, в целом вещество диэлектрика нейтрально, у полярных диэлектриков существует неравномерное распределение заряда по молекуле. Говорят, что молекула обладает электрическим дипольным моментом. Эта особенность и играет важнейшую роль при взаимодействии диэлектрика с внешним электрическим полем.

Под действием напряженности электростатического поля в диэлектрике полярные молекулы немного изменяют свое пространственное расположение, ориентируясь по внешнему полю. В результате общий положительный заряд молекул оказывается ближе к одной стороне тела, а общий отрицательный – ближе к другой. В теле появляется дипольный момент. Данный процесс называется поляризацией.

В неполярных диэлектриках поляризация также происходит, но в гораздо меньших размерах за счет изменения формы электронных облаков.

Теперь можно ответить на вопрос, почему мелкие кусочки бумаги притягиваются к расческе. Они поляризуются. Под действием поля расчески на ближнем конце кусочка бумаги появляется притягивающийся заряд, Одновременно, на дальнем конце появляется такой же отталкивающийся заряд. Поскольку сила притяжения на более близком расстоянии превышает силу отталкивания на большем, равнодействующая притягивает кусочек к расческе.

Что мы узнали?

При внесении диэлектрика в электростатическое поле происходит поляризация – молекулы немного меняют свое положение, в результате чего, распределение положительного и отрицательного заряда в теле становится неравномерным, у тела появляется дипольный момент.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

4.3

Средняя оценка: 4.3

Всего получено оценок: 124.

---

А какая ваша оценка?

Диэлектрический материал | Открытый класс физики

В этой статье я кратко расскажу о диэлектрическом материале, диэлектрической проницаемости, электрической проницаемости и о том, как изменяется закон Кулона в различных диэлектрических средах.

Согласно закону Кулона, если два положительных заряда q0 и q поместить в пустое пространство на расстоянии r, они будут отталкиваться друг от друга. Величина силы отталкивания ,

То есть сила Кулона при q = 1,

Если между этими двумя зарядами присутствует диэлектрик, кулоновская сила и электрическое поле будут разными. Рассмотрим однородное электрическое поле в пустом пространстве, создаваемое двумя длинными противоположно заряженными плоскостями.

Поместим в пустое место диэлектрический материал. Диэлектрический материал часто называют изолятором. Изолятор не пропускает ток. Потому что внутри изолятора нет свободных электронов, поскольку они являются неметаллическим элементом.

Атом имеет положительное ядро ​​и электронное облако (электроны вращаются вокруг ядра). Если в электрическое поле поместить отрицательный заряд, то на него будет действовать кулоновская сила, направленная против электрического поля.

Итак, если атом поместить внутрь электрического поля, его электронное облако будет ощущать силу, противоположную электрическому полю. Таким образом, электроны будут смещаться против электрического поля. Следовательно, атом будет поляризован.

Таким образом, будет суммарный отрицательный заряд ẟ- на одной стороне атома и суммарный положительный заряд ẟ+ на другой стороне атома. Итак, когда изолятор помещается в электрическое поле, весь его атом будет поляризован.

Теперь есть суммарный отрицательный заряд на левой стороне изолятора и суммарный положительный заряд на правой стороне изолятора.

Все остальные положительные и отрицательные заряды внутри изолятора компенсируют друг друга. Эти суммарные отрицательные и положительные заряды называются индуцированными зарядами. Этот индуцированный заряд создаст электрическое поле внутри диэлектрика. Это электрическое поле называется индуцированным электрическим полем. На следующем рисунке показаны только индуцированные заряды.

Новое индуцированное электрическое поле Eᵢ и внешнее электрическое поле E₀ противоположны по направлению. Итак, суммарное электрическое поле внутри изолятора равно ,

E = E₀ — Eᵢ …………(1)

Из уравнения (1) видно, что результирующее электрическое поле E внутри диэлектрика всегда меньше, чем электрическое поле в пустом пробел E₀ .

Итак, E₀ > E

Теперь диэлектрическая проницаемость K представляет собой отношение между E₀ и E.

K = E₀/E .

Как E₀ > E так, K>1. Для пустого места, E₀ = E. Итак, K = 1 для пустого пространства .

Итак, если заряд q0 поместить в диэлектрическую среду с диэлектрической проницаемостью K , электрическое поле E будет в 1/K раз больше электрического поля внутри пустого пространства E₀ .

Определим ε = ε0*k как электрическую проницаемость среды.

Как сила Кулона F = E*q . Итак,

5.22: Диэлектрический материал в переменном электрическом поле.

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

7791

• Джереми Татум
• Университет Виктории

Мы видели, что, когда мы помещаем диэлектрический материал в электрическое поле, он поляризуется, и поле \(\textbf{D}\) теперь представляет собой \(\epsilon\textbf{E}\) вместо просто \ (\epsilon_0\textbf{E}\). {-1}=63\) процента, или любой другой доли, которая может быть удобной в конкретном контексте. – его конечной поляризации.) Время релаксации может быть практически мгновенным, а может составлять многие часы. 9* \text{ is }\epsilon\), обычная диэлектрическая проницаемость в статическом поле.

Давайте представим, что у нас есть диэлектрический материал между пластинами конденсатора, и что переменная разность потенциалов приложена к пластинам. В некоторый момент плотность заряда \(\sigma\) на пластинах (равная \(D\)-полю) изменяется со скоростью \(\dot \sigma\), которая также равна скорости изменения \(\точка D\) \(D\)-поля), а ток в цепи равен \(A\точка D\), где \(A\) — площадь каждой пластины. Разность потенциалов между пластинами, с другой стороны, равна \(Ed\), где \(d\) — расстояние между пластинами. Мгновенная скорость диссипации энергии в материале равна \(AdE\dot D\), или, скажем, мгновенная скорость диссипации энергии в единице объема материала равна \(E\dot D\).

Предположим, что \(E = \hat E \cos \omega t\) и что \(D =\hat D \cos (\omega t − \delta )\), так что

\[\dot D = -\ шляпа D \omega \sin (\omega t -\delta ) =-\hat D \omega (\sin \omega t \cos \delta -\cos \omega t \sin \delta ).