Что такое диэлектрик в физике: Что такое диэлектрики в физике?

Содержание

Что такое диэлектрики в физике?

Для того, чтобы определить: что такое диэлектрики в физике, вспомним, что важнейшей характеристикой диэлектрика является поляризация. В любом веществе свободные заряды перемещаются под воздействием электрического поля, при этом появляется электрический ток, а связанные заряды поляризуются. Вещества делятся на проводники и диэлектрики в зависимости от того какие заряды преобладают (свободные или связанные). В диэлектриках, преимущественно, под воздействием внешнего электрического поля возникает поляризация. Если разрезать проводник, находящийся в электрическом поле, то можно разделить заряды разных знаков. Такого проделать с поляризационными зарядами диэлектрика нельзя. В металлических проводниках свободные заряды могут перемещаться на большие расстояния, тогда как в диэлектриках положительные и отрицательные заряды перемещаются в пределах одной молекулы. У диэлектриков энергетическая зона полностью заполнена.
            Если внешнее поле отсутствует, то заряды, имеющие разные знаки, по всему объему диэлектрика распределены равномерно. При наличии внешнего электрического поля, заряды входящие в молекулу, смещаются в противоположных направлениях. Данное смещение проявляется, как возникновение заряда на поверхности диэлектрика, при помещении его во внешнее электрическое поле — это и есть явление поляризации.
            Поляризация зависит от вида химической связи в диэлектрике. Так, в ионных кристаллах поляризация возникает, в основном, из-за сдвига ионов в электрическом поле и лишь немного за счет деформации электронных атомных оболочек. Тогда как в алмазе, который имеет ковалентную химическую связь, поляризация идет за счет деформации электронных атомных оболочек в электрическом поле.
            Диэлектрик называют полярным, если его молекулы обладают собственным электрическим дипольным моментом. В таких диэлектриках при наличии внешнего электрического поля электрические дипольные момента ориентируются вдоль поля. 
            Поляризацию диэлектрика определяют при помощи вектора поляризации   . Эта величина равна сумме электрических дипольных моментов всех молекул в единичном объеме вещества. Если диэлектрик является изотропным, то выполняется равенство:

   

где — электрическая постоянная; — диэлектрическая восприимчивость вещества. Диэлектрическая восприимчивость вещества связана с диэлектрической проницаемостью как:

   

где — характеризует ослабление внешнего электрического поля в диэлектрике за счет наличия поляризационных зарядов. Полярные диэлектрики имеют  наибольшие величины . Так, для воды =81.
            В некоторых диэлектриках поляризация возникает не только во внешнем электрическом поле, но и при механических напряжениях. Данные диэлектрики носят название: пьезоэлектрики.
            У диэлектриков удельное электрическое сопротивление много больше, чем у проводников. Оно лежит в интервале: Ом/см. Поэтому, диэлектрики применяют для изготовления изоляции электротехнических устройств. Важным случаем применения диэлектриков является их использование в электрических конденсаторах.  

Диэлектрики: полярные, неполярные, кристаллические; проводники.

Поведение вещества(заряда) во внешнем элекрическом поле

Тестирование онлайн

  • Проводники, диэлектрики. Основные понятия

  • Диэлектрики, сферический проводник

Диэлектрики

Это такие вещества, в которых нет свободных зарядов. Заряженные частицы не могут двигаться по всему объему тела. Они способны только смещаться на небольшие расстояния относительно своих равновесных состояний. Не проводят электрический ток.

Диэлектрики бывают: полярными, неполярными, кристаллическими.

У полярных диэлектриков молекула такая, что ее ядро и электроны находятся друг от друга на некотором расстоянии, то есть сдвинуты положительный и отрицательный центры. Поэтому молекулу называют электрическим диполем. К полярным диэлектрикам относятся дистиллированная вода, спирт.

У неполярных диэлектриков молекула симметричная. Вещества: парафин, бензол, азот и др.

Диполь отсутствует.

К кристаллическим диэлектрикам относятся такие вещества, у которых кристаллическую решетку можно рассматривать как две подрешетки — с положительными и отрицательными ионами.

Проводники

Это вещества, в которых есть свободные заряженные частицы (электроны, положительные ионы и отрицательные ионы), способные перемещаться по всему объему вещества. Это металлы, растворы солей, кислот и щелочей и др. Эти вещества проводят электрический ток.

Вещества в электрическом поле

При помещении в электростатическое поле полярного диэлектрика, диполи переориентировываются таким образом, что вектор напряженности E’ внутреннего поля направлен в противоположную сторону относительно вектора напряженности внешнего поля E0.

Поляризация приводит к ослаблению внешнего электрического поля в раз, где — диэлектрическая проницаемость

Аналогичным образом ведут себя кристаллические диэлектрики.

При помещении во внешнее поле неполярного диэлектрика у нейтральных молекул деформируются электронные облака, происходит электронная поляризация.

При помещении проводника все свободные заряды одного знака устремляются в одну сторону, заряды противоположного знака в противоположную сторону, это явление называется электростатической индукцией. Внутреннее поле, которое при этом образуется внутри проводника «гасит» внешнее поле.

Так как свободные заряды концентрируются по краям, а не во всем объеме вещества, как у диэлектриков, то внутри проводника отсутствует электростатическое поле. Напряженность внутри проводника равна нулю. Использование этого свойства называется электростатической защитой. Помещенные внутрь проводника тела не будут испытывать действие внешнего электростатического поля, проводник как бы ограждает.

Проводящая сфера

Рассмотрим проводник сферической формы.

Заряды на поверхности распределяются так, что их плотность больше в точках поверхности, обладающей большей кривизной. По поверхности сферы заряд распределяется равномерно.

А что произойдет, если внутрь сферической оболочки поместить заряд? Индукционные заряды возникнут на ее внутренней поверхности. В этом случае внутри сферы поле будет.

Для равномерно заряженной сферой радиусом R и зарядом q на расстоянии r от центра сферы, справедливы формулы:

Заземление

Благодаря своим огромным размерам Земля действует как резервуар зарядов, принимая и отдавая электроны. Когда мы поднесем к заземленному металлическому предмету отрицательно заряженный стержень, свободные электроны в металле будут отталкиваться и уходить в Землю. Если отсоединить стержень от этого предмета, на металле останется избыточный положительный заряд. Так мы зарядим тело положительным зарядом.

Различные стадии зарядки тела: а) приближая к шарику электроскопа отрицательно заряженный сургуч, мы вызываем на стержне электроскопа положительный заряд, а на его листках — отрицательный заряд; б) не убирая сургуча с отрицательным зарядом, прикасаемся рукой к шарику электроскопа и отводим часть отрицательного заряда электроскопа через свое тело в землю; листки электроскопа спадают; в) убрав палец, а затем убрав сургуч, мы оставляем на электроскопе только положительный заряд, который распределяется между шариком и листками электроскопа.

Упражнения

К металлическому шару, установленному на электроскопе, одновременно прикасаются наэлектризованной эбонитовой палочкой и рукой. Затем отнимают сначала руку, а потом палочку. Какого знака заряд получит электроскоп?

В результате контакта эбонитовой палочки с шаром электроскоп получит небольшой отрицательный заряд, который через руку уйдет в землю. Так как эбонит – диэлектрик, то на остальных участках палочки, которые не контактировали с шаром, отрицательные заряды останутся неподвижными. Они зарядят электроскоп положительным зарядом.

Как известно, заряженный шарик притягивает бумажку. Как изменится сила притяжения, если окружить металлической сферой заряженный шарик? бумажку?

Если окружить шарик концентрической металлической сферой, ничего не изменится: и шарик и металлическая сфера действуют как заряд, сосредоточенный в точке, находящейся в центре шарика. Если окружить сферой бумажку, сила притяжения обратится в ноль: бумажка попадает в «цилиндр Фарадея», зато теперь металлическая сфера и шарик будут притягиваться друг к другу.

Внутрь полой сферы проводящей незаряженной сферы был помещен шарик с зарядом q, после чего сфера была на короткое время соединена с землей, и затем шарик удален из сферы. Какой заряд будет иметь сфера после этих операций? Где и как будет распределен этот заряд? Где и какое будет существовать электрическое поле?

Заряд q. Он будет распределен равномерно по внешней поверхности сферы. Внутри сферы напряженность поля будет равна нулю. Вне сферы будет существовать электрическое поле, подобное полю точечного заряда q, помещенного в центр сферы.

Имеется полая проводящая незаряженная сфера, внутрь которой помещен положительный заряженный шарик. Укажите: а) Где будет существовать электрическое поле? б) Будут ли появляться заряды на сфере? в) Будет ли меняться поле внутри и вне сферы, если перемещать шарик, если шарик оставить неподвижным, а снаружи к сфере поднести заряженное тело?

а) Поле будет существовать внутри и вне сферы; б) на внутренней поверхности появится отрицательный заряд, на внешней — положительный; в) в первом случае будет изменяться электрическое поле только внутри сферы, во втором — только вне сферы.

Физика 8 класс.

Проводники и диэлектрики. Электрический ток в металлах и электролитах :: Класс!ная физика

Физика 8 класс. ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ

Проводник — это тело, внутри которого содержится достаточное количество свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля.
В проводниках возможно возникновение электрического тока под действием приложенного электрического поля.
Все металлы, растворы солей и кислот, влажная почва, тела людей и животных — хорошие проводники электрических зарядов.

___

Изолятор ( или диэлектрик ) — тело не содержащее внутри свободные электрические заряды.
В изоляторах электрический ток невозможен.
К диэлектрикам можно отнести — стекло, пластик, резину, картон,

воздух. тела изготовленные из диэлектриков называют изоляторами.
Абсолютно непроводящая жидкость – дистиллированная, т.е. очищенная вода,
(любая другая вода (водопроводная или морская) содержит какое-то количество

примесей и является проводником)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ

В металле всегда существует большое количество свободных электронов.
Электрический ток в металлических проводниках — это упорядоченное движение свободных электронов под действием электрического поля, создаваемого источником тока.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЖИДКОСТЯХ

Электрический ток могут проводить растворы солей и кислот, а также обычная вода ( кроме дистиллированной).
Раствор, способный проводить электрический ток, называется электролитом.
В растворе молекулы растворяемого вещества под действием растворителя

превращаются в положительные и отрицательные ионы. Ионы

под действием приложенного к раствору электрического поля могут перемещаться:

отрицательные ионы — к положительному электроду, положительные

ионы – к отрицательному электроду.
В электролите возникает электрический ток.
При прохождении тока через электролит на электродах выделяются чистые вещества, содержавшиеся в растворе. Это явление называется электролизом.
В результате действие электрического тока в электролите происходят необратимые химические изменения, и для дальнейшего поддержания электрического тока его необходимо

заменить на новый.

ИНТЕРЕСНО …

В 17 веке после того как Уильям Гильберт установил, что многие тела обладают

способностью электризоваться при их натирании, в науке считалось, что все тела по отношению

к электризации делятся на два вида: на способные электризоваться при трении,

и на тела, не электризующиеся при трении.
Только в первой половине 18 века было установлено, что некоторые тела обладают, кроме того, способностью распространять электричество. Первые опыты в этом направлении были проведены английским физиком Греем. В 1729

г. Грей открыл явление электрической проводимости.

Он установил, что электричество способно передаваться от одних

тел к другим

по металлической проволоке. По шелковой же нити электричество

не распространялось.

Именно Грей разделил вещества на проводники

и непроводники электричества.

Только в 1739г. было окончательно установлено,

что все тела следует делить на проводники и диэлектрики.
___

К началу 19 века стало известно, что разряд электрических рыб

проходит через металлы,

но не проходит через стекло и воздух.

ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ ?

Гальваностегия.

Покрытие предметов слоем металла при помощи электролиза называется гальваностегией. Металлизировать можно не только металлические предметы, но и

предметы из дерева, листья растений, кружева, мертвых насекомых.

Сначала надо сделать эти предметы жесткими, а для этого подержать

их некоторое время в расплавленном воске.
Затем равномерно покрыть слоем графита ( например, потерев карандашным

грифелем), чтобы сделать их проводящими и опустить в качестве

электрода в гальваническую ванну с электролитом, пропуская через

него некоторое время эл. ток. Через какое-то время на этом электроде выделится металл, содержащийся в растворе, и равномерно покроет предмет.

Археологические раскопки, относящиеся к временам Парфянского

царства, позволяют допустить,
что уже две тысячи лет тому назад производилось гальваническое золочение и серебрение изделий!
Об

этом говорят и находки, сделанные в гробницах египетских фараонов.

Устали? — Отдыхаем!

Открытая Физика. Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле E→ складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля E→0 и внутреннего поля E→’, создаваемого заряженными частицами вещества.

Вещество многообразно по своим электрическим свойствам. Наиболее широкие классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. Типичные проводники – металлы.

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 (рис. 1.5.1). Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.

Индукционные заряды создают свое собственное поле E→’, которое компенсирует внешнее поле E→0 во всем объеме проводника: E→=E→0+E→’=0 (внутри проводника).

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

Электростатическая индукция

Все внутренние области проводника, внесенного в электрическое поле, остаются электронейтральными. Если удалить некоторый объем, выделенный внутри проводника, и образовать пустую полость, то электрическое поле внутри полости будет равно нулю. На этом основана электростатическая защита – чувствительные к электрическому полю приборы для исключения влияния поля помещают в металлические ящики (рис. 1.5.2).

Электростатическая защита. Поле в металлической полости равно нулю

Так как поверхность проводника является эквипотенциальной, силовые линии у поверхности должны быть перпендикулярны к ней.

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 E→0 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 E→’, которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности E→0 внешнего поля. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика. В результате полное электрическое поле E→=E→0+E→’ внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше внешнего поля E→0.

Физическая величина, равная отношению модуля напряженности E→0 внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности E→ полного поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества.

ε=E0E.

Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная и электронная поляризации. Эти механизмы проявляются главным образом при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.

Ориентационная или дипольная поляризация возникает в случае полярных диэлектриков, состоящих из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи – нейтральную совокупность двух зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Дипольным моментом обладает, например, молекула воды, а также молекулы ряда других диэлектриков (H2S, NO2 и т.  д.).

При отсутствии внешнего электрического поля оси молекулярных диполей из-за теплового движения ориентированы хаотично, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем равен нулю.

При внесении диэлектрика во внешнее поле E→0 возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле E→’, направленное навстречу внешнему полю E→0 (рис. 1.5.3).

Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика

Поляризация полярных диэлектриков сильно зависит от температуры, так как тепловое движение молекул играет роль дезориентирующего фактора.

Электронный или упругий механизм проявляется при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не обладают в отсутствие внешнего поля дипольным моментом. Под действием электрического поля молекулы неполярных диэлектриков деформируются – положительные заряды смещаются в направлении вектора E→0, а отрицательные – в противоположном направлении. В результате каждая молекула превращается в электрический диполь, ось которого направлена вдоль внешнего поля. На поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные связанные заряды, создающие свое поле E→’, направленное навстречу внешнему полю E→0. Так происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 1.5.4).

Деформация неполярных молекул под действием внешнего электрического поля не зависит от их теплового движения, поэтому поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры. Примером неполярной молекулы может служить молекула метана CH4. У этой молекулы четырехкратно ионизированный ион углерода C4– располагается в центре правильной пирамиды, в вершинах которой находятся ионы водорода H+. При наложении внешнего электрического поля ион углерода смещается из центра пирамиды, и у молекулы возникает дипольный момент, пропорциональный внешнему полю.

Поляризация неполярного диэлектрика

Электрическое поле E→’ связанных зарядов, возникающее при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, изменяется по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля E→0. В очень сильных электрических полях эта закономерность может нарушаться, и тогда проявляются различные нелинейные эффекты. В случае полярных диэлектриков в сильных полях может наблюдаться эффект насыщения, когда все молекулярные диполи выстраиваются вдоль силовых линий. В случае неполярных диэлектриков сильное внешнее поле, сравнимое по модулю с внутриатомным полем, может существенно деформировать атомы или молекулы вещества и изменить их электрические свойства. Однако, эти явления практически никогда не наблюдаются, так как для этого нужны поля с напряженностью порядка 1010–1012 В/м. Между тем, гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.

У многих неполярных молекул при поляризации деформируются электронные оболочки, поэтому этот механизм получил название электронной поляризации. Этот механизм является универсальным, поскольку деформация электронных оболочек под действием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика.

В случае твердых кристаллических диэлектриков наблюдается так называемая ионная поляризация, при которой ионы разных знаков, составляющие кристаллическую решетку, при наложении внешнего поля смещаются в противоположных направлениях, вследствие чего на гранях кристалла появляются связанные (нескомпенсированные) заряды. Примером такого механизма может служить поляризация кристалла NaCl, в котором ионы Na+ и Cl составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. В отсутствие внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла NaCl (см. Часть I § 3.6 ) электронейтральна и не обладает дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки смещаются в противоположных направлениях, т. е. кристалл поляризуется.

При поляризации неоднородного диэлектрика связанные заряды могут возникать не только на поверхностях, но и в объеме диэлектрика. В этом случае электрическое поле E→’ связанных зарядов и полное поле E→ могут иметь сложную структуру, зависящую от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле E→ в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем E→0 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 E→, создаваемого этим зарядом в некоторой точке, и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме:

E→=14πε0ċQεr3r→,        φ=14πε0Qεr.

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

  • 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?


Развитие физики в СССР.

Кн. 1. — 1967 — Электронная библиотека «История Росатома»

Закладок нет.

 

 

ОбложкаIIIIIIIVVVI пустаяVIIVIIIIXXX вкл.XIXIIXIIIXIVXV12 пустая3456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152 пустая153154155156157158159160161162163164165166167168169170171172173174175176177178179180181182183184185186187188189190191192193194195196197198199200201202203204205206207208209210211212213214215216217218219220221222223224225226227228229230231232233234235236237238239240241242243244245246247248249250250 вкл.251252253254255256 пустая257258259260261262263264265266267268269270271272273274275276277278279280280 вкл.281282283284284 вкл.285286287288288 вкл.289290290 вкл.291292292 вкл.293294295296297298299300301302303304305306307308309310311312313314315316317318319320321322323324325326327328328 вкл. 329330331332333334335336337338339340341342343344345346347348349350351352353354355356357358359360361362363364365366367368369370371372373374375376377378379380381382383384385386387388389390391392393394395396397398399400401402403404405406407408409410411412413414415416417418419420421422423424425426427428429430431432432 вкл.433434435436437438439440441442443444445446447448449450451452Обложка (с. 4)Обложка – III – IIIIV – VVI пустая – VIIVIII – IXX – X вкл.XI – XIIXIII – XIVXV – 12 пустая – 34 – 56 – 78 – 910 – 1112 – 1314 – 1516 – 1718 – 1920 – 2122 – 2324 – 2526 – 2728 – 2930 – 3132 – 3334 – 3536 – 3738 – 3940 – 4142 – 4344 – 4546 – 4748 – 4950 – 5152 – 5354 – 5556 – 5758 – 5960 – 6162 – 6364 – 6566 – 6768 – 6970 – 7172 – 7374 – 7576 – 7778 – 7980 – 8182 – 8384 – 8586 – 8788 – 8990 – 9192 – 9394 – 9596 – 9798 – 99100 – 101102 – 103104 – 105106 – 107108 – 109110 – 111112 – 113114 – 115116 – 117118 – 119120 – 121122 – 123124 – 125126 – 127128 – 129130 – 131132 – 133134 – 135136 – 137138 – 139140 – 141142 – 143144 – 145146 – 147148 – 149150 – 151152 пустая – 153154 – 155156 – 157158 – 159160 – 161162 – 163164 – 165166 – 167168 – 169170 – 171172 – 173174 – 175176 – 177178 – 179180 – 181182 – 183184 – 185186 – 187188 – 189190 – 191192 – 193194 – 195196 – 197198 – 199200 – 201202 – 203204 – 205206 – 207208 – 209210 – 211212 – 213214 – 215216 – 217218 – 219220 – 221222 – 223224 – 225226 – 227228 – 229230 – 231232 – 233234 – 235236 – 237238 – 239240 – 241242 – 243244 – 245246 – 247248 – 249250 – 250 вкл. 251 – 252253 – 254255 – 256 пустая257 – 258259 – 260261 – 262263 – 264265 – 266267 – 268269 – 270271 – 272273 – 274275 – 276277 – 278279 – 280280 вкл. – 281282 – 283284 – 284 вкл.285 – 286287 – 288288 вкл. – 289290 – 290 вкл.291 – 292292 вкл. – 293294 – 295296 – 297298 – 299300 – 301302 – 303304 – 305306 – 307308 – 309310 – 311312 – 313314 – 315316 – 317318 – 319320 – 321322 – 323324 – 325326 – 327328 – 328 вкл.329 – 330331 – 332333 – 334335 – 336337 – 338339 – 340341 – 342343 – 344345 – 346347 – 348349 – 350351 – 352353 – 354355 – 356357 – 358359 – 360361 – 362363 – 364365 – 366367 – 368369 – 370371 – 372373 – 374375 – 376377 – 378379 – 380381 – 382383 – 384385 – 386387 – 388389 – 390391 – 392393 – 394395 – 396397 – 398399 – 400401 – 402403 – 404405 – 406407 – 408409 – 410411 – 412413 – 414415 – 416417 – 418419 – 420421 – 422423 – 424425 – 426427 – 428429 – 430431 – 432432 вкл. – 433434 – 435436 – 437438 – 439440 – 441442 – 443444 – 445446 – 447448 – 449450 – 451452 – Обложка (с. 4)

 

 

Проводники и диэлектрики в элекрическом поле

Проводники и диэлектрики в электростатическом поле.

1.Действие электростатического поля на свободные проводника

Электрическое поле внутри проводника равно нулю.

Весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности.

Применение:

1. Экранирование (электростатическая защита, М. Фарадей, 1837)

2. Электростатическая индукция;

3. Стекание q (электрический ветер) — громоотвод.

2. Диэлектрики.

Поляризация — смещение  положительных и отрицательных связанных зарядов диэлектрика в противоположные стороны.

 

Виды диэлектриков:

а) Неполярные («мягкие») Деформационная (электронная) поляризация.

б) Полярные («жесткие»). Ориентационная  поляризация.

Ионная поляризация (в чистом виде не наблюдается).

Диполь с ионной связью. При Ео==0 расположение диполей хаотично и Е’=0.

,

где ε — диэлектрическая проницаемость, показывающая   во сколько раз ослаблено электрическое поле в среде по сравнению с вакуумом. Характеристика вещества.  Табличная величина.

 

Электреты — диэлектрики, длительное время сохраняющие поляризацию после устранения внешнего электрического поля (электрический аналог постоянного магнита). Применяются в микрофонах и телефонах. Стекло, эбонит. Полимеры.

 

Сегнетоэлектрики — диэлектрики, обладающие очень большой диэлектрической проницаемостью (>10000).

 

Пьезоэлектрический  эффект — возникновение поляризационных зарядов при деформации кристалла и наоборот. Открыт в 1880 г. Ж. и П. Кюри. Применяется в микрофонах, телефонах, для измерения давления и механического напряжения, гидролокаторах, электропроигрывателях и т.п.

 

Dielectrics — The Physics Hypertextbook

Обсуждение

основная идея

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

  • Поскольку заряды имеют тенденцию нелегко перемещаться в неметаллических твердых телах, возможны «островки» заряда в стекле, керамике и пластике. Латинское слово «остров» — insula , что является источником слова insulator .Напротив, заряды в металлических твердых телах имеют тенденцию легко перемещаться — как будто кто-то или что-то их ведет. Латинский префикс con или com означает «с». Человек, с которым у вас есть хлеб, — ваш товарищ. (На латыни хлеб — panis .) Взять что-то с собой в дорогу — значит передать это. (Латинское слово «дорога» — это .) Человек, с которым вы путешествуете, который указывает путь или обеспечивает безопасный переход, является кондуктором. (Латинское слово для обозначения лидера — ductor .) Материал, обеспечивающий безопасное прохождение электрических зарядов, — это проводник .
  • Вставка слоя неметаллического твердого вещества между пластинами конденсатора увеличивает его емкость. Греческая приставка di или dia означает «поперек». Линия, пересекающая углы прямоугольника, — это диагональ. (Греческое слово, обозначающее угол — gonia — γωνία.) Измерение поперек круга — это диаметр. (Греческое слово, обозначающее меру, — метрон — μέτρον.) Материал, помещенный на пластины конденсатора, как небольшой непроводящий мостик, — это диэлектрик .

Пластиковое покрытие электрического шнура является изолятором. Стеклянные или керамические пластины, используемые для поддержки линий электропередач и предохранения их от замыкания на землю, являются изоляторами. Практически всегда, когда неметаллическое твердое тело используется в электрическом устройстве, оно называется изолятором. Пожалуй, единственный раз, когда слово диэлектрик используется в отношении непроводящего слоя конденсатора.

Диэлектрики в конденсаторах служат трем целям:

  1. , чтобы предотвратить соприкосновение проводящих пластин, что позволяет уменьшить расстояние между пластинами и, следовательно, повысить емкость;
  2. для увеличения эффективной емкости за счет уменьшения напряженности электрического поля, что означает получение того же заряда при более низком напряжении; и
  3. для уменьшения возможности короткого замыкания из-за искрения (более формально известного как пробой диэлектрика) во время работы при высоком напряжении.

что здесь происходит

Когда металл находится в электрическом поле, свободные электроны текут против поля, пока не выйдут из проводящего материала. В кратчайшие сроки у нас будет избыток электронов с одной стороны и дефицит с другой. Одна сторона проводника стала отрицательно заряженной, а другая — положительно заряженной. Освободите поле, и электроны на отрицательно заряженной стороне окажутся слишком близко для комфорта. Подобные заряды отталкиваются, и электроны убегают друг от друга так быстро, как только могут, пока не распределятся равномерно; в среднем один электрон на каждый протон в пространстве, окружающем каждый атом.Проводящий электрон в металле похож на гоночную собаку, загнанную на пастбище. Они могут свободно передвигаться сколько угодно и могут перемещаться по всей длине, ширине и глубине металла по своему желанию.

Жизнь электрона в изоляторе гораздо более ограничена. По определению, заряды в изоляторе не могут свободно перемещаться . Это не то же самое, что сказать, что не может двигаться . Электрон в изоляторе похож на сторожевую собаку, привязанную к дереву: он может двигаться свободно, но в определенных пределах.Размещение электронов изолятора в присутствии электрического поля похоже на размещение привязанной собаки в присутствии почтальона. Электроны будут напрягаться против поля настолько, насколько это возможно, во многом так же, как наша гипотетическая собака будет напрягаться против своего поводка, насколько это возможно. Однако электроны в атомном масштабе больше похожи на облака, чем на собак. Электрон эффективно распространяется по всему объему атома и не концентрируется в каком-либо одном месте. Полагаю, хорошую атомную собаку нельзя было бы назвать Спотом.

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. сторона. Этот процесс известен как поляризация , а диэлектрический материал в таком состоянии называется поляризацией . Существует два основных метода поляризации диэлектрика: растяжение и вращение.

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

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

Полярные молекулы обычно поляризуются сильнее, чем неполярные. Вода (полярная молекула) имеет диэлектрическую прочность в 80 раз больше, чем у азота (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, в то время как полярные молекулы растягиваются на и градусов. Однако эта комбинация действий лишь незначительно влияет на общую степень поляризации вещества. Что еще более важно, полярные молекулы уже сильно растянуты — естественно. То, как атомы водорода сидят на рукавах электронных облаков атома кислорода, искажает молекулу в диполь.Все это происходит в межатомном или молекулярном масштабе. На таких крошечных расстояниях напряженность электрического поля относительно велика для того, что в противном случае было бы непримечательным напряжением (например, 13,6 В для электрона в атоме водорода).

Когда дело доходит до поляризации, растяжение и вращение — не конец истории. Это просто методы, которые проще всего описать случайному наблюдателю. Как правило, поляризация диэлектрического материала представляет собой микроскопическую электростатическую деформацию в ответ на макроскопическое электростатическое напряжение.Внешнее поле, приложенное к диэлектрику, не может заставить заряды двигаться макроскопически, но оно может растягивать и искажать их микроскопически. Он может толкнуть их в неудобное положение, а при отпускании позволить им вернуться в расслабленное состояние. То, что отличает поляризацию изолятора от растяжения упругого тела, такого как пружина, заключается в том, что устранение напряжения не обязательно снимает напряжение. Некоторые изоляторы будут оставаться в поляризованном состоянии в течение часов, дней, лет или даже столетий.Наиболее длинные характерные времена должны быть экстраполированы из неполных наблюдений на более разумную продолжительность. Никто не собирается сидеть сложа руки и ждать две тысячи лет, чтобы увидеть, как поляризация куска пластика уменьшится до нуля. Ждать не стоит.

Наконец, важно иметь в виду, что заряды, «хранящиеся» в диэлектрическом слое, не доступны в виде пула свободных зарядов. Для их извлечения еще понадобятся металлические пластины. Важно помнить, что единственная причина, по которой кого-то волнует этот феномен, заключается в том, что он помогает нам создавать лучшие конденсаторы.Думаю, на этом и следует завершить обсуждение.

конденсаторы с диэлектриком

Поместите диэлектрический слой между двумя параллельно заряженными металлическими пластинами, направив электрическое поле справа налево. (Почему не слева направо? Ну, я читаю справа налево, поэтому мне легче «читать» диаграммы.) Положительные ядра диэлектрика будут перемещаться на с полем вправо, а отрицательные электроны переместит против на поле слева.Силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах, поэтому электрическое поле внутри каждого напряженного атома или молекулы диэлектрика указывает на нашей диаграмме слева направо — напротив внешнего поля двух металлических пластин. Электрическое поле — это векторная величина, и когда два вектора указывают в противоположных направлениях, вы вычитаете их величины, чтобы получить результат. Эти два поля не компенсируются в диэлектрике, 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. Давай займемся математикой.

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

.

E x = — В
x
E y = — В E = — ∇ V
y
E z = — В
z

Емкость — это отношение заряда к напряжению.

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

.

C 1 ( Q постоянная) С ( d , Q постоянная)
В 1
В E ( d постоянная) E

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 НУЖДАЕТСЯ В Доработке.

О первых открытиях лейденской банки. Удаление стержня снижает емкость. (Воздух имеет более низкую диэлектрическую проницаемость, чем вода. ) Напряжение и емкость обратно пропорциональны, когда заряд постоянен. Уменьшение емкости увеличивает напряжение.

восприимчивость, диэлектрическая проницаемость, диэлектрическая проницаемость

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

p = q r

с единицей СИ кулонов метра , не имеющего 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

Расчет поляризации из первых принципов — сложная процедура, которую лучше доверить специалистам. Не беспокойтесь о деталях того, почему поляризация имеет то значение, которое она имеет, просто примите то, что она существует и является функцией некоторых переменных. И что это за переменные? Конечно, почему они материалны и напряженность поля. Различные материалы поляризуются в разной степени — мы будем использовать греческую букву χ e [chi sub e], чтобы обозначить эту величину, известную как электрическая восприимчивость, — но для большинства материалов поле сильнее ( E ) , тем больше поляризация ( P ).Добавьте коэффициент 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 другого. 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 рассмотрена немного позже. На данный момент это просто приспособление для отработки единиц.



С = С 2 N

м 2 Н · м 2 С

НАПИШИТЕ ОТДЫХ.

Величина κ [каппа] безразмерна.

Диэлектрическая проницаемость для выбранных материалов (~ 300 K, если не указано иное)
материал κ материал κ
воздух 1.005364 кварц кристаллический (∥) 4,60
уксусная кислота 6,2 кварц кристаллический (⊥) 4,51
спирт этиловый (зерновой) 24,55 кварц плавленый 3,8
спирт метиловый (древесный) 32,70 каучук, бутил 2. 4
янтарь 2,8 каучук, неопрен 6,6
асбест 4,0 резина, силикон 3,2
асфальт 2,6 каучук вулканизированный 2,9
бакелит 4,8 соль 5.9
кальцит 8,0 селен 6,0
карбонат кальция 8,7 кремний 11,8
целлюлоза 3,7–7,5 карбид кремния (αSiC) 10,2
цемент ~ 2 кремния диоксид 4.5
кокаин 3,1 силиконовое масло 2,7–2,8
хлопок 1,3 почва 10–20
алмаз, тип I 5,87 титанат стронция, +25 ° C 332
алмаз типа IIa 5,66 титанат стронция, −195 ° C 2080
эбонит 2. 7 сера 3,7
эпоксидная 3,6 пятиокись тантала 27
мука 3-5 тефлон 2,1
фреон 12, −150 ° C (жидкость) 3,5 антимонид олова 147
фреон 12, +20 ° C (пар) 2.4 теллурид олова 1770
германий 16 диоксид титана (рутил) 114
стекло 4–7 табак 1,6–1,7
стекло, пирекс 7740 5,0 диоксид урана 24
гуттаперча 2.6 вакуум 1 (точно)
Реактивное топливо (жиклер А) 1,7 вода, лед, −30 ° C 99
оксид свинца 25,9 вода, жидкость, 0 ° C 87,9
свинец ниобат магния 10 000 вода, жидкость, 20 ° C 80. 2
сульфид свинца (галенит) 200 вода, жидкость, 40 ° C 73,2
титанат свинца 200 вода, жидкость, 60 ° C 66,7
дейтерид лития 14,0 вода, жидкость, 80 ° C 60,9
люцит 2.8 вода, жидкость, 100 ° C 55,5
слюда, мусковит 5,4 воск, воск пчелиный 2,7–3,0
слюда канадская 6,9 воск, карнуба 2,9
нейлон 3,5 воск, парафин 2.1–2.5
масло льняное 3,4 вощеная бумага 3,7
масло минеральное 2,1
масло оливковое 3,1 тканей человека κ
масло нефтяное 2,0–2,2 кость губчатая 26
масло силиконовое 2. 5 кость кортикальная 14,5
масло, сперма 3,2 мозг, серое вещество 56
масло трансформаторное 2,2 мозг, белое вещество 43
бумага 3,3, 3,5 мозг, мозговые оболочки 58
оргстекло 3.1 Хрящ общий 22
полиэстер 3,2–4,3 хрящ, ухо 47
полиэтилен 2,26 Глаз, водянистая влага 67
полипропилен 2,2–2,3 глаз, роговица 61
полистирол 2. 55 глаз, склера 67
поливинилхлорид (пвх) 4,5 жир 16
фарфор 6–8 мышца гладкая 56
ниобат калия 700 мышца поперечнополосатая 58
танталат ниобат калия, 0 ° C 34 000 скин 33–44
танталат ниобат калия, 20 ° C 6 000 язычок 38

пробой диэлектрика

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

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

пьезоэффект

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

  • Пьезо — греческое слово, обозначающее давление (πιεζω).
  • Обнаружен в 1880-х годах братьями Кюри.
  • Недорогие пьезоэлектрические микрофоны. Когда поляризованный кристалл подвергается напряжению, напряжение создает разность потенциалов. Эта разность потенциалов пропорциональна напряжению, которое пропорционально акустическому давлению.
  • Обратный пьезоэлектрический микрофон — это пьезоэлектрический динамик: зуммер будильника, звонок наручных часов, всевозможные электронные гудки.Когда к поляризованному кристаллу прикладывается электрический потенциал, кристалл подвергается механической деформации, которая, в свою очередь, может создавать акустическое давление.
  • Коллаген пьезоэлектрический. «Когда к [костному] коллагену прикладывается сила, создается небольшой электрический потенциал постоянного тока. Коллаген проводит ток в основном за счет отрицательных зарядов. Минеральные кристаллы кости (апатита), расположенные рядом с коллагеном, проводят ток с помощью положительных зарядов. На стыке из этих двух типов полупроводников ток легко течет в одном направлении, но не в другом….Считается, что силы, действующие на кости, создают потенциалы за счет пьезоэлектрического эффекта и что соединения коллаген-апатит создают токи, которые вызывают и контролируют рост костей. Токи пропорциональны напряжению (сила на единицу площади), поэтому повышенное механическое напряжение костей приводит к усилению роста «. Physics of the Body (255).
Микрофоны и принцип их работы
тип звуков производят
изменений в…
, что вызывает
изменений…
, что дает
изменений…
углерод Плотность гранул сопротивление напряжение
конденсатор разделительная пластина емкость напряжение
динамический Расположение катушки флюс напряжение
пьезоэлектрический компрессия поляризация напряжение

Определение диэлектрика в физике.

Примеры диэлектрика в следующих разделах:

  • Конденсаторы с диэлектриками

    • Диэлектрик частично противодействует электрическому полю конденсатора, но может увеличивать емкость и препятствовать соприкосновению пластин конденсатора.
    • Это прерывание может происходить в виде вакуума (отсутствие какого-либо вещества) или диэлектрика (изолятор).
    • Когда используется диэлектрик , материал между параллельными пластинами конденсатора поляризуется.
    • Заряды в диэлектрике и материале противодействуют зарядам каждой пластины конденсатора.
    • Опишите поведение материала диэлектрика в электрическом поле конденсатора
  • Дилетрики и их неисправности

    • Пробой диэлектрика — это явление, при котором диэлектрик теряет свою способность к изоляции и вместо этого становится проводником.
    • Пробой диэлектрика (проиллюстрирован на) — это явление, при котором диэлектрик теряет свою способность к изоляции и вместо этого становится проводником.
    • В качестве отказа существует вероятностный элемент, и, следовательно, диэлектрик может испытать пробой в любом диапазоне напряжений.
    • Газообразные диэлектрики обычно в природе пробиваются (явление молнии — наиболее распространенный пример).
    • Определить условия, которые могут привести к пробою диэлектрика и его влияние на материалы
  • Конденсатор с параллельными пластинами

    • Конденсаторы могут иметь разные формы, но все они состоят из двух проводников, разделенных диэлектриком и материалом .
    • Такие диэлектрики обычно состоят из стекла, воздуха, бумаги или пустого пространства (вакуума).
    • На практике диэлектрики не действуют как идеальные изоляторы и пропускают через них небольшой ток утечки.
    • В зависимости от прочности диэлектрика (Eds) и расстояния (d) между пластинами, конденсатор «сломается» при определенном напряжении (Vbd).
    • Заряды в диэлектрике и материале противодействуют зарядам каждой пластины конденсатора.
  • Поляризация

    • Диэлектрик Поляризация — это явление, которое возникает, когда положительный и отрицательный заряды в материале разделены.
    • Для целей этого атома мы сосредотачиваемся на его значении в контексте того, что известно как диэлектрическая поляризация — разделение зарядов в материалах.
    • Положительный заряд в диэлектрике будет перемещаться в сторону приложенного поля, а отрицательные заряды удаляться.
    • Различные материалы по-разному реагируют на индуцированное поле в зависимости от их диэлектрической проницаемости .
    • Самый простой взгляд на диэлектрики включает рассмотрение их заряженных компонентов: протонов и электронов.
  • Конденсатор с параллельными пластинами

    • Между ними может быть вакуум или диэлектрик, материал, но не проводник.
    • Максимальную энергию (U), которую может хранить конденсатор, можно рассчитать как функцию от Ud, прочности диэлектрика и на расстояние, а также от напряжения конденсатора (В) на пределе пробоя (максимальное напряжение перед ионизацией диэлектрика ). и больше не работает как изолятор):
    • Диэлектрик гарантирует, что заряды разделены и не переходят с одной пластины на другую.{1/2} (\ omega)> 1 $, или, другими словами, на частотах, где заряд превышает скорость распространения излучения.
    • Полная излучаемая энергия расходится; это просто является результатом нашего предположения, что заряд проходит через материал диэлектрика навсегда, и это предположение легко ослабить, заменив бесконечный интеграл на единицу за время $ 2T $, в течение которого частица проходит через диэлектрик
    • Опять же, излучение резко достигает пика под черенковским углом до тех пор, пока $ \ omega T \ gg 1 $, и мы можем интегрировать этот результат по всем углам, чтобы получить полную энергию на частоту, излучаемую при прохождении заряда через диэлектрик
    • , где $ 2 c \ beta T $ — толщина области диэлектрика .
  • Емкость

    • Самый распространенный конденсатор известен как конденсатор с параллельными пластинами, который состоит из двух отдельных проводящих пластин, отделенных друг от друга диэлектриком .
    • В конечном счете, в таком конденсаторе q зависит от площади поверхности (A) проводящих пластин, а V зависит от расстояния (d) между пластинами и диэлектрической проницаемости (εr) диэлектрика между ними.
    • Диэлектрик предотвращает перетекание заряда от одной пластины к другой.
  • Индуцированный заряд

    • Субъекты, которые могут реагировать на индукторы, включают проводники и диэлектрики .
  • Генераторы Ван де Графа

    • По сути, генератор Ван де Граафа состоит из гибкого диэлектрического ремня (обычно используется шелк), проходящего через два металлических шкива.
  • Общая поляризация

    • Угол Брюстера (также известный как угол поляризации) — это угол падения, при котором свет с определенной поляризацией идеально проходит через прозрачную поверхность диэлектрика без отражения.

8.5: Конденсатор с диэлектриком

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Опишите влияние диэлектрика в конденсаторе на емкость и другие свойства
  • Рассчитать емкость конденсатора, содержащего диэлектрик

Как мы обсуждали ранее, изоляционный материал, помещенный между пластинами конденсатора, называется диэлектриком. Вставка диэлектрика между пластинами конденсатора влияет на его емкость.Чтобы понять, почему, давайте рассмотрим эксперимент, описанный на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). Первоначально конденсатор с емкостью \ (C_0 \), когда между его пластинами есть воздух, заряжается батареей до напряжения \ (V_0 \). Когда конденсатор полностью заряжен, аккумулятор отключается. Затем на пластинах остается заряд \ (Q_0 \), и измеренная разность потенциалов между пластинами составляет \ (V_0 \). Теперь предположим, что мы вставляем диэлектрик, который полностью заполняет промежуток между пластинами. Если мы будем контролировать напряжение, мы обнаружим, что показание вольтметра упало до меньшего значения \ (В \).Мы запишем это новое значение напряжения как часть исходного напряжения \ (V_0 \) с положительным числом \ (\ kappa, \, \ kappa> 1 \).

\ [V = \ frac {1} {\ kappa} V_0. \]

Постоянная \ (\ каппа \) в этом уравнении называется диэлектрической постоянной материала между пластинами, и ее значение характерно для материала. Подробное объяснение того, почему диэлектрик снижает напряжение, дается в следующем разделе. У разных материалов разная диэлектрическая проницаемость (таблица значений для типичных материалов приведена в следующем разделе).Как только батарея отсоединяется, заряд от пластин конденсатора не проходит к батарее. Следовательно, введение диэлектрика не влияет на заряд на пластине, который остается на значении \ (Q_0 \). Следовательно, находим, что емкость конденсатора с диэлектриком равна

.

\ [C = \ frac {Q_0} {V} = \ frac {Q_0} {V_0 / \ kappa} = \ kappa \ frac {Q_0} {V_0} = \ kappa C_0. \ label {eq1} \]

Это уравнение говорит нам, что емкость \ (C_0 \) пустого (вакуумного) конденсатора может быть увеличена в \ (\ kappa \) , когда мы полностью вставим диэлектрический материал. заполните пространство между его пластинами .Обратите внимание, что уравнение \ ref {eq1} также можно использовать для пустого конденсатора, задав \ (\ kappa = 1 \). Другими словами, мы можем сказать, что диэлектрическая проницаемость вакуума равна 1, что является справочным значением.

Рис. \ (\ PageIndex {1} \): (a) При полной зарядке вакуумный конденсатор имеет напряжение \ (V_0 \) и заряд \ (Q_0 \) (заряды остаются на внутренних поверхностях пластины; на схеме указан знак заряда на каждой пластине). (b) На шаге 1 аккумулятор отключается. Затем, на этапе 2, в заряженный конденсатор вставляется диэлектрик (то есть электрически нейтральный).Когда теперь измеряется напряжение на конденсаторе, обнаруживается, что значение напряжения уменьшилось до \ (V = V_0 / \ kappa \). Схема показывает знак индуцированного заряда, который теперь присутствует на поверхностях диэлектрического материала между пластинами.

Принцип, выраженный уравнением \ ref {eq1}, широко используется в строительной отрасли (рисунок \ (\ PageIndex {2} \)). Металлические пластины в электронном поисковике контактов эффективно действуют как конденсатор. Вы кладете прибор для поиска гвоздей плоской стороной на стену и постоянно перемещаете его в горизонтальном направлении.Когда искатель перемещается по деревянной стойке, емкость ее пластин изменяется, потому что древесина имеет диэлектрическую проницаемость, отличную от диэлектрической проницаемости гипсовой стены. Это изменение запускает сигнал в цепи, и, таким образом, шпилька обнаруживается.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Электронный поисковик используется для обнаружения деревянных стоек за гипсокартоном.

На электрическую энергию, запасаемую конденсатором, также влияет присутствие диэлектрика. Когда энергия, запасенная в пустом конденсаторе, равна \ (U_0 \), энергия \ (U \), запасенная в конденсаторе с диэлектриком, меньше в \ (\ kappa \) раз. 2} {\ kappa C_0} = \ frac {1} {\ kappa} U_0. \ label {8.12} \]

Когда образец диэлектрического материала подносят к пустому заряженному конденсатору, образец реагирует на электрическое поле зарядов на пластинах конденсатора. Точно так же, как мы узнали из «Электрических зарядов и полей» по электростатике, на поверхности образца будут индуцированные заряды; однако они не являются свободными зарядами, как в проводнике, потому что идеальный изолятор не имеет свободно движущихся зарядов. Эти наведенные заряды на диэлектрической поверхности имеют противоположный знак свободным зарядам на пластинах конденсатора, поэтому они притягиваются свободными зарядами на пластинах.Следовательно, диэлектрик «втягивается» в зазор, и работа по поляризации диэлектрического материала между пластинами выполняется за счет накопленной электрической энергии, которая уменьшается в соответствии с уравнением \ ref {8.12}.

Пример \ (\ PageIndex {1} \): вставка диэлектрика в изолированный конденсатор

Пустой конденсатор емкостью 20,0 пФ заряжается до разности потенциалов 40,0 В. Зарядная батарея затем отключается и кусок тефлона ™ с диэлектрической проницаемостью 2.1 вставляется так, чтобы полностью заполнить пространство между пластинами конденсатора (см. Рисунок \ (\ PageIndex {1} \)). Каковы значения:

  1. емкость,
  2. заряд пластины,
  3. разность потенциалов между пластинами, а
  4. энергия, запасенная в конденсаторе с диэлектриком и без него?

Стратегия

Мы идентифицируем исходную емкость \ (C_0 = 20,0 \, пФ \) и исходную разность потенциалов \ (V_0 = 40.0 \, V \) между пластинами. Мы объединяем уравнение \ ref {eq1} с другими соотношениями, включающими емкость и замену.

Решение

а. Емкость увеличивается до \ [C = \ каппа C_0 = 2,1 (20,0 \, пФ) = 42,0 \, пФ. \ nonumber \]

г. Без диэлектрика заряд на пластинах равен \ [Q_0 = C_0V_0 = (20.0 \, пФ) (40.0 \, В) = 0.8 \, нКл. \ nonumber \] Поскольку батарея отключается до того, как вставлен диэлектрик, диэлектрик не влияет на заряд пластины и остается равным 0. 2 = 16,0 \, нДж. \ nonumber \] Со вставленным диэлектриком мы используем уравнение \ ref {8.12}, чтобы найти, что запасенная энергия уменьшается до \ [U = \ frac {1} {\ kappa} U_0 = \ frac {1} {2.1} 16.0 \ , пДж = 7,6 \, нДж. \ nonumber \]

Значение

Обратите внимание, что влияние диэлектрика на емкость конденсатора заключается в резком увеличении его емкости. Этот эффект гораздо глубже, чем простое изменение геометрии конденсатора.

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Когда диэлектрик вставлен в изолированный и заряженный конденсатор, запасенная энергия уменьшается до 33% от своего первоначального значения.

  1. Что такое диэлектрическая проницаемость?
  2. Как меняется емкость?
Ответ

а. 3.0; б. \ (С = 3,0 \, С_0 \)

Авторы и авторство

  • Сэмюэл Дж. Линг (Государственный университет Трумэна), Джефф Санни (Университет Лойола Мэримаунт) и Билл Мобс со многими участвующими авторами. Эта работа лицензирована OpenStax University Physics в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License (by 4.0).

Что такое диэлектрический материал? — Определение с сайта WhatIs.com

К

Диэлектрический материал — это вещество, которое плохо проводит электричество, но эффективно поддерживает электростатическое поле. Если поток тока между противоположными полюсами электрического заряда сведен к минимуму, в то время как электростатические линии потока не прерываются и не прерываются, электростатическое поле может накапливать энергию. Это свойство полезно в конденсаторах, особенно на радиочастотах.Диэлектрические материалы также используются при строительстве линий передачи радиочастот.

На практике большинство диэлектрических материалов твердые. Примеры включают фарфор (керамику), слюду, стекло, пластмассы и оксиды различных металлов. Некоторые жидкости и газы могут служить хорошими диэлектрическими материалами. Сухой воздух является отличным диэлектриком и используется в конденсаторах переменной емкости и некоторых типах линий передачи. Дистиллированная вода — хороший диэлектрик. Вакуум — исключительно эффективный диэлектрик.

Важным свойством диэлектрика является его способность поддерживать электростатическое поле, рассеивая минимальную энергию в виде тепла. Чем ниже диэлектрические потери (доля энергии, теряемой в виде тепла), тем более эффективным является диэлектрический материал. Еще одно соображение — диэлектрическая проницаемость , , степень, в которой вещество концентрирует электростатические линии потока. Вещества с низкой диэлектрической проницаемостью включают идеальный вакуум, сухой воздух и наиболее чистые сухие газы, такие как гелий и азот.Материалы с умеренной диэлектрической проницаемостью включают керамику, дистиллированную воду, бумагу, слюду, полиэтилен и стекло. Оксиды металлов, как правило, обладают высокими диэлектрическими постоянными.

Основным преимуществом веществ с высокой диэлектрической проницаемостью, таких как оксид алюминия, является тот факт, что они делают возможным производство дорогостоящих конденсаторов небольшого физического объема. Но эти материалы, как правило, не способны противостоять электростатическим полям, столь же сильным, как вещества с низкой диэлектрической постоянной, такие как воздух.Если напряжение на диэлектрическом материале становится слишком большим, то есть если электростатическое поле становится слишком сильным, материал внезапно начинает проводить ток. Это явление называется пробоем диэлектрика . В компонентах, в которых в качестве диэлектрической среды используются газы или жидкости, это состояние меняется на противоположное, если напряжение падает ниже критической точки. Но в компонентах, содержащих твердые диэлектрики, пробой диэлектрика обычно приводит к необратимым повреждениям.

Последнее обновление: ноябрь 2010 г.

пересмотр физики | GCSE и A Level Physics Revision

Изолятор имеет плохую электрическую проводимость, но изолятор с высокой поляризуемостью называется диэлектриком. Такой материал можно использовать не только для уменьшения потока заряда, но и для хранения электрического заряда. Диэлектрический материал (сокращенно диэлектрик) представляет собой электрический изолятор , который может поляризоваться приложенным электрическим полем .

Когда диэлектрик помещается в электрическое поле, заряженные частицы внутри диэлектрика немного смещаются от своих средних положений равновесия, вызывая поляризацию диэлектрика. Из-за диэлектрической поляризации положительные заряды смещаются в направлении поля, а отрицательные — в противоположном направлении.Это создает внутреннее электрическое поле, противоположное приложенному, и уменьшает общее поле внутри самого диэлектрика.

Если диэлектрик состоит из слабо связанных молекул, эти молекулы не только поляризуются, но и меняют ориентацию своих рычагов так, чтобы их оси симметрии совпадали с силовыми линиями.

Относительная диэлектрическая проницаемость или диэлектрическая проницаемость (термин, устаревший в физике и технике, но все еще широко используемый в химии)

Относительная диэлектрическая проницаемость материала указывает энергоемкость материала (посредством поляризации).

Типичный пример диэлектрика — электроизоляционный материал между металлическими пластинами конденсатора.

Поляризация диэлектрика приложенным электрическим полем увеличивает поверхностный заряд конденсатора для данной напряженности электрического поля.

Относительная диэлектрическая проницаемость материала — это его диэлектрическая проницаемость, выраженная как отношение диэлектрической проницаемости вакуума.

Относительная диэлектрическая проницаемость обычно обозначается как ε r и определяется как

где

ε — комплексная частотно-зависимая абсолютная диэлектрическая проницаемость материала, а

ε 0 — диэлектрическая проницаемость вакуума

Диэлектрическая проницаемость — это свойство материала, которое влияет на кулоновскую силу между двумя точечными зарядами в материале.

Относительная диэлектрическая проницаемость — это коэффициент, на который электрическое поле между зарядами уменьшается материалом относительно того, насколько оно уменьшилось бы в вакууме. Или вы можете думать об этом как о соотношении емкости конденсатора, использующего этот материал в качестве диэлектрика, по сравнению с аналогичным конденсатором, который имеет вакуум в качестве диэлектрика.

————————————————- —

В уравнении для конденсатора с параллельными пластинами

мы могли бы написать C = Aε / d

Готовы задать вопросы?

Нажмите на изображение — Множественный выбор вопросов и ответов на стандартном уровне ждут вас!

Для получения дополнительных тем, связанных с практическими вопросами, см. Верхнюю левую строку меню

Готовы задать вопросы?

Щелкните изображение — Краткий ответ Вас ждут вопрос и ответ на уровне A!

Для получения дополнительных тем, связанных с практическими вопросами, см. Верхнюю левую строку меню

Молекулярная модель диэлектрика — Университетская физика, том 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Объясните поляризацию диэлектрика в однородном электрическом поле
  • Опишите влияние поляризованного диэлектрика на электрическое поле между пластинами конденсатора
  • Объяснение пробоя диэлектрика

Мы можем понять влияние диэлектрика на емкость, глядя на его поведение на молекулярном уровне.Как мы видели в предыдущих главах, в целом все молекулы можно классифицировать как полярных или неполярных . В изолированной полярной молекуле есть чистое разделение положительных и отрицательных зарядов, тогда как в изолированной неполярной молекуле разделения зарядов нет ((Рисунок)). Другими словами, полярные молекулы имеют постоянных электродипольных моментов , а неполярные молекулы — нет. Например, молекула воды полярна, а молекула кислорода неполярна.Неполярные молекулы могут стать полярными в присутствии внешнего электрического поля, которое называется индуцированной поляризацией .

Концепция поляризации: в неполяризованном атоме или молекуле отрицательно заряженное электронное облако равномерно распределено вокруг положительно заряженных центров, тогда как поляризованный атом или молекула имеют избыток отрицательного заряда с одной стороны, так что другая сторона имеет избыток положительный заряд. Однако вся система остается электрически нейтральной.Поляризация заряда может быть вызвана внешним электрическим полем. Некоторые молекулы и атомы постоянно поляризованы (электрические диполи) даже в отсутствие внешнего электрического поля (полярные молекулы и атомы).

Рассмотрим сначала диэлектрик, состоящий из полярных молекул. В отсутствие какого-либо внешнего электрического поля электрические диполи ориентированы случайным образом, как показано на (Рисунок) (а). Однако, если диэлектрик находится во внешнем электрическом поле, полярные молекулы выравниваются по внешнему полю, как показано в части (b) рисунка.Противоположные заряды на соседних диполях в объеме диэлектрика нейтрализуют друг друга, поэтому в диэлектрике нет общего заряда (см. Пунктирные кружки в части (b)). Однако это не тот случай, когда очень близко к верхней и нижней поверхностям, граничащим с диэлектриком (область, ограниченная пунктирными прямоугольниками в части (b)), где выравнивание действительно производит чистый заряд. Поскольку внешнее электрическое поле просто выравнивает диполи, диэлектрик в целом нейтрален, а поверхностные заряды, индуцированные на его противоположных гранях, равны и противоположны.Эти индуцированные поверхностные заряды и создают дополнительное электрическое поле (индуцированное электрическое поле), которое противостоит внешнему полю, как показано в части (c).

Диэлектрик с полярными молекулами: а) в отсутствие внешнего электрического поля; б) при наличии внешнего электрического поля. Пунктирными линиями обозначены области, непосредственно прилегающие к обкладкам конденсатора. (c) Индуцированное электрическое поле внутри диэлектрика, создаваемое индуцированным поверхностным зарядом диэлектрика.Обратите внимание, что в действительности отдельные молекулы не идеально выровнены с внешним полем из-за тепловых флуктуаций; тем не менее, среднее выравнивание происходит вдоль линий поля, как показано.

Тот же эффект возникает, когда молекулы диэлектрика неполярны. В этом случае неполярная молекула приобретает индуцированный электрический дипольный момент, потому что внешнее поле вызывает разделение ее положительного и отрицательного зарядов. Индуцированные диполи неполярных молекул выравниваются таким же образом, как и постоянные диполи полярных молекул (показаны в части (b)).Следовательно, электрическое поле внутри диэлектрика ослабляется независимо от того, являются ли его молекулы полярными или неполярными.

Следовательно, когда область между параллельными пластинами заряженного конденсатора, такая как показанная на (Рисунок) (a), заполнена диэлектриком, внутри диэлектрика возникает электрическое поле из-за свободного заряда на обкладки конденсатора и электрическое поле из-за индуцированного заряда на поверхностях диэлектрика. Их векторная сумма дает чистое электрическое поле в диэлектрике между пластинами конденсатора (показано в части (b) рисунка):

Это чистое поле можно рассматривать как поле, создаваемое эффективным зарядом на конденсаторе.

Электрическое поле: (а) В пустом конденсаторе электрическое поле. (б) В конденсаторе с диэлектрическим заполнением — электрическое поле.

В большинстве диэлектриков чистое электрическое поле пропорционально полю, создаваемому свободным зарядом. В терминах этих двух электрических полей диэлектрическая проницаемость материала определяется как

.

Поскольку и указывают в противоположных направлениях, величина E меньше, чем величина, и поэтому Комбинирование (рисунок) с (рисунок) и перестановка членов дает следующее выражение для индуцированного электрического поля в диэлектрике:

Когда величина внешнего электрического поля становится слишком большой, молекулы диэлектрического материала начинают ионизироваться. Молекула или атом ионизируются, когда один или несколько электронов удаляются из них и становятся свободными электронами, больше не связанными с молекулярной или атомной структурой. Когда это происходит, материал может проводить, тем самым позволяя заряду проходить через диэлектрик от одной пластины конденсатора к другой. Это явление называется пробоем диэлектрика. ((Рисунок) показывает типичные случайные траектории электрического разряда во время пробоя диэлектрика.) Критическое значение электрического поля, при котором молекулы изолятора становятся ионизированными, называется диэлектрической прочностью материала.Диэлектрическая прочность накладывает ограничение на напряжение, которое может быть приложено для данного расстояния между пластинами в конденсаторе. Например, диэлектрическая прочность воздуха составляет, так что для конденсатора, заполненного воздухом с разделением пластин, предел разности потенциалов, который можно безопасно приложить к его пластинам, не вызывая пробоя диэлектрика, составляет.

Однако этот предел становится равным 60,0 кВ, когда тот же конденсатор заполнен тефлоном ™, диэлектрическая прочность которого составляет около. Из-за этого ограничения, налагаемого диэлектрической прочностью, количество заряда, которое может накапливать конденсатор с воздухом, составляет всего лишь, а заряд, накопленный на том же самом конденсаторе с тефлоновым заполнением, может достигать

, что примерно в 42 раза больше, чем заряд конденсатора, заполненного воздухом.Типичные значения диэлектрической проницаемости и диэлектрической прочности для различных материалов приведены на (рисунок). Обратите внимание, что диэлектрическая проницаемость равна точно 1,0 для вакуума (пустое пространство служит эталонным условием) и очень близка к 1,0 для воздуха при нормальных условиях (нормальное давление при комнатной температуре). Эти два значения настолько близки, что на самом деле свойства заполненного воздухом конденсатора по существу такие же, как у пустого конденсатора.

Материал Диэлектрическая проницаемость Диэлектрическая прочность
Вакуум 1
Сухой воздух (1 атм) 1. 00059 3,0
Teflon ™ 2,1 60 к 173
Парафин 2,3 11
Кремниевое масло 2,5 10-15
Полистирол 2,56 19,7
Нейлон 3,4 14
Бумага 3,7 16
Плавленый кварц 3. 78 8
Стекло 4-6 от 9,8 до 13,8
Бетон 4,5
Бакелит 4,9 24
Алмаз 5,5 2 000
Стекло Pyrex 5,6 14
Слюда 6,0 118
Неопреновый каучук 6. 7 от 15,7 до 26,7
Вода 80
Серная кислота от 84 до 100
диоксид титана 86 к 173
титанат стронция 310 8
Титанат бария от 1,200 до 10,000
Титанат кальция и меди > 250 000

Не все вещества, перечисленные в таблице, являются хорошими изоляторами, несмотря на их высокие диэлектрические постоянные. Вода, например, состоит из полярных молекул и имеет большую диэлектрическую проницаемость около 80. В молекуле воды электроны более вероятно находятся вокруг ядра кислорода, чем вокруг ядер водорода. Это делает кислородный конец молекулы слегка отрицательным, а атомный конец слегка положительным, что позволяет молекуле легко выстраиваться вдоль внешнего электрического поля, и, таким образом, вода имеет большую диэлектрическую постоянную. Однако полярная природа молекул воды также делает воду хорошим растворителем для многих веществ, что приводит к нежелательным эффектам, поскольку любая концентрация свободных ионов в воде проводит электричество.

Установка диэлектрика в конденсатор, подключенный к батарее. Когда батарея напряжения подключена к пустому емкостному конденсатору, заряд на ее пластинах равен, а электрическое поле между пластинами равно. Между пластинами вставлен диэлектрик с диэлектрической проницаемостью, в то время как батарея остается на месте , как показано на (фиг. ). (a) Найдите емкость C , напряжение В на конденсаторе и электрическое поле E между пластинами после введения диэлектрика.(b) Получите выражение для свободного заряда Q на пластинах заполненного конденсатора и индуцированного заряда на диэлектрической поверхности в терминах исходного заряда пластины.

В заряженный конденсатор вставлен диэлектрик, в то время как конденсатор остается подключенным к батарее.

Стратегия Мы определяем известные значения:, ,, и. Наша задача — выразить неизвестные значения через эти известные значения.

Решение (а) Емкость заполненного конденсатора составляет.Так как аккумулятор всегда подключен к пластинам конденсатора, разность потенциалов между ними не меняется; следовательно, . Из-за этого электрическое поле в заполненном конденсаторе такое же, как поле в пустом конденсаторе, поэтому мы можем напрямую получить, что

(б) Для заполненного конденсатора свободный заряд на пластинах

Электрическое поле E в заполненном конденсаторе возникает из-за эффективного заряда ((Рисунок) (b)). Так как у нас

Решая это уравнение для, получаем для индуцированного заряда

Значение Обратите внимание на то, что для материалов с диэлектрической проницаемостью больше 2 (см. (Рисунок)) индуцированный заряд на поверхности диэлектрика больше, чем заряд на пластинах вакуумного конденсатора.Обратное верно для газов, таких как воздух, диэлектрическая проницаемость которых меньше 2.

Проверьте свое понимание Продолжая (рисунок), покажите, что когда батарея подключена к пластинам, энергия, запасенная в конденсаторе с диэлектрическим заполнением, (больше, чем энергия пустого конденсатора, сохраняемого при том же напряжении). Сравните этот результат с результатом, полученным ранее для изолированного заряженного конденсатора.

Проверьте свое понимание Повторите вычисления (рисунок) для случая, когда батарея остается подключенной, а диэлектрик помещен в конденсатор.

Сводка

  • Когда диэлектрик вставлен между пластинами конденсатора, на двух поверхностях диэлектрика индуцируется равный и противоположный поверхностный заряд. Индуцированный поверхностный заряд создает индуцированное электрическое поле, которое противодействует полю свободного заряда на пластинах конденсатора.
  • Диэлектрическая проницаемость материала — это отношение электрического поля в вакууме к чистому электрическому полю в материале. Конденсатор, заполненный диэлектриком, имеет большую емкость, чем пустой конденсатор.
  • Электрическая прочность изолятора представляет собой критическое значение электрического поля, при котором молекулы изоляционного материала начинают ионизироваться. Когда это происходит, материал становится проводящим, и наблюдается пробой диэлектрика.

Концептуальные вопросы

Различают электрическую прочность и диэлектрическую проницаемость.

Диэлектрическая прочность — это критическое значение электрического поля, выше которого изолятор начинает проводить; Диэлектрическая постоянная — это отношение электрического поля в вакууме к чистому электрическому полю в материале.

Вода — хороший растворитель, так как имеет высокую диэлектрическую проницаемость. Объяснять.

Вода имеет высокую диэлектрическую проницаемость. Объясните, почему он не используется в качестве диэлектрического материала в конденсаторах.

Объясните, почему молекулы в диэлектрическом материале испытывают на себя суммарные силы в неоднородном электрическом поле, но не в однородном поле.

Объясните, почему диэлектрическая проницаемость вещества, содержащего постоянные молекулярные электрические диполи, уменьшается с повышением температуры.

Когда энергия теплового движения велика (высокая температура), электрическое поле тоже должно быть большим, чтобы электрические диполи оставались выровненными с ним.

Объясните, почему диэлектрический материал увеличивает емкость по сравнению с воздухом между пластинами конденсатора. Как диэлектрический материал позволяет приложить большее напряжение к конденсатору? (Таким образом, диэлектрик увеличивает C и допускает большее В . )

Расскажите, как полярный характер молекул воды помогает объяснить относительно высокую диэлектрическую проницаемость воды.

Искры возникают между пластинами заполненного воздухом конденсатора при более низком напряжении, когда воздух влажный, чем когда он сухой. Обсудите, почему, учитывая полярный характер молекул воды.

Проблемы

Две плоские пластины, содержащие одинаковые и противоположные заряды, разделены материалом толщиной 4,0 мм с диэлектрической проницаемостью 5,0. Если электрическое поле в диэлектрике составляет 1,5 МВ / м, каковы (а) плотность заряда на пластинах конденсатора и (б) плотность индуцированного заряда на поверхности диэлектрика?

Для конденсатора с параллельными пластинами, заполненного тефлоном ™, площадь пластины и расстояние между пластинами равно 0.50 мм. Если конденсатор подключен к батарее на 200 В, найдите (а) свободный заряд на пластинах конденсатора, (б) электрическое поле в диэлектрике и (в) индуцированный заряд на диэлектрических поверхностях.

а. 37 нКл; б. 0,4 МВ / м; c. 19 нКл

Найдите емкость конденсатора с параллельными пластинами, имеющего пластины с площадью поверхности 0,100 мм из Teflon ™ и разделенные расстоянием между ними.

(а) Какова емкость конденсатора с параллельными пластинами, площадь пластин которых разделена на 0.0200 мм неопренового каучука? (b) Какой заряд он держит, когда к нему приложено 9,00 В?

а. ; б.

Две параллельные пластины имеют одинаковые и противоположные заряды. Когда пространство между пластинами вакуумируется, возникает электрическое поле. Когда пространство заполнено диэлектриком, возникает электрическое поле. а) Какова поверхностная плотность заряда на каждой поверхности диэлектрика? б) Что такое диэлектрическая проницаемость?

Диэлектрическая проницаемость конденсатора с параллельными пластинами составляет 3.60 и диэлектрическая прочность. Конденсатор должен иметь емкость 1,25 нФ и выдерживать максимальную разность потенциалов 5,5 кВ. Какую минимальную площадь могут иметь пластины конденсатора?

Когда воздушный конденсатор на 360 нФ подключен к источнику питания, в конденсаторе хранится энергия. Пока конденсатор подключен к источнику питания, вставляется пластина диэлектрика, полностью заполняющая пространство между пластинами. Это увеличивает запасенную энергию на.а) Какова разность потенциалов между пластинами конденсатора? б) Какова диэлектрическая проницаемость плиты?

Конденсатор с параллельными пластинами имеет квадратные пластины, расстояние между которыми составляет 8,00 см с каждой стороны и 3,80 мм друг от друга. Пространство между пластинами полностью заполнено двумя квадратными пластинами диэлектрика со стороной 8,00 см и толщиной 1,90 мм каждая. Одна плита изготовлена ​​из стекла Pyrex, а другая — из полистирола. Если разность потенциалов между пластинами составляет 86,0 В, найдите, сколько электроэнергии может храниться в этом конденсаторе.

Дополнительные проблемы

Конденсатор состоит из двух плоских параллельных пластин, расположенных на расстоянии 0,40 мм друг от друга. Когда на пластины помещается заряд, разница потенциалов между ними составляет 250 В. а) Какова емкость пластин? б) Какова площадь каждой пластины? (c) Какой заряд на пластинах, когда разность потенциалов между ними составляет 500 В? (d) Какая максимальная разность потенциалов может быть приложена между пластинами, чтобы величина электрического поля между пластинами не превышала 3.0 МВ / м?

Заполненный воздухом (пустой) конденсатор с параллельными пластинами состоит из двух квадратных пластин, расстояние между которыми составляет 25 см с каждой стороны и 1,0 мм друг от друга. Конденсатор подключен к батарее на 50 В и полностью заряжен. Затем он отсоединяется от аккумулятора, и его пластины разводятся на расстояние 2,00 мм. а) Какова емкость этого нового конденсатора? б) Какой заряд на каждой пластине? в) Какое электрическое поле между пластинами?

а. 0,277 нФ; б. 27,7 нКл; c. 50 кВ / м

Землю можно рассматривать как сферический конденсатор с двумя пластинами, где отрицательная пластина — это поверхность Земли, а положительная пластина — это дно ионосферы, которое находится на высоте примерно 70 км. Разность потенциалов между поверхностью Земли и ионосферой составляет около 350 000 В. а) Рассчитайте емкость этой системы. (б) Найдите полный заряд этого конденсатора. (c) Найдите энергию, запасенную в этой системе.

а. 0,065 F; б. 23000 С; c. 4,0 ГДж

Конденсатор и конденсатор подключены параллельно через линию питания 600 В. (а) Найдите заряд каждого конденсатора и напряжение на каждом из них. (b) Заряженные конденсаторы отключены от линии и друг от друга.Затем они повторно соединяются друг с другом с помощью терминалов разного знака вместе. Найдите окончательный заряд каждого конденсатора и напряжение на каждом из них.

Три конденсатора с емкостью 8,40, 8,40 и 4,20, соответственно, подключены последовательно через разность потенциалов 36,0 В. а) Каков заряд конденсатора? (b) Конденсаторы отключены от разности потенциалов, не позволяя им разрядиться. Затем они повторно соединяются параллельно друг другу с помощью соединенных вместе положительно заряженных пластин. Какое напряжение на каждом конденсаторе в параллельной комбинации?

а. ; б. 10,8 В

Параллельно-пластинчатый конденсатор емкостью заряжается от аккумулятора 12,0 В, после чего аккумулятор отключается. Определите минимальную работу, необходимую для увеличения расстояния между пластинами в 3 раза.

(a) Сколько энергии хранится в электрических полях конденсаторов (всего), показанных ниже? (б) Равна ли эта энергия работе, выполняемой источником на 400 В при зарядке конденсаторов?

а.0,13 Дж; б. нет, из-за резистивного нагрева в соединительных проводах, который всегда присутствует, но на схеме не указаны резисторы

Три конденсатора с емкостью 8,4, 8,4 и 4,2 подключены последовательно через разность потенциалов 36,0 В. а) Какая общая энергия хранится во всех трех конденсаторах? (b) Конденсаторы отключены от разности потенциалов, не позволяя им разрядиться. Затем они повторно соединяются параллельно друг другу с помощью соединенных вместе положительно заряженных пластин. Какая общая энергия сейчас хранится в конденсаторах?

(a) Конденсатор подключен параллельно другому конденсатору, создавая общую емкость. Какая емкость у второго конденсатора? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения являются необоснованными или непоследовательными?

а. ; б. У вас не может быть отрицательной емкости. c. Предположение, что они были подключены параллельно, а не последовательно, неверно. Параллельное соединение всегда дает большую емкость, в то время как здесь предполагалась меньшая емкость.Это могло произойти только в том случае, если конденсаторы подключены последовательно.

(a) В определенный день для запуска двигателя грузовика требуется электрическая энергия. Вычислите емкость конденсатора, способного хранить такое количество энергии при 12,0 В. (b) Что неразумного в этом результате? (c) Какие допущения ответственны?

(a) Конденсатор с параллельными пластинами имеет площадь пластин, разделенных нейлоном толщиной 0,0100 мм, и накапливает 0,170 Кл заряда. Какое приложенное напряжение? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения являются ответственными или противоречивыми?

а.14,2 кВ; б. Напряжение неоправданно велико, более чем в 100 раз превышает напряжение пробоя нейлона. c. Предполагаемый заряд неоправданно велик и не может храниться в конденсаторе таких размеров.

Шутник подает 450 В на конденсатор, а затем бросает его ничего не подозревающей жертве. Палец пострадавшего обгорел от разряда конденсатора через 0,200 г мяса. Прикинь, какова прибавка температуры мякоти? Разумно ли предположить, что термодинамического фазового перехода не произошло?

Задачи

Сферический конденсатор состоит из двух концентрических сферических проводящих сфер, разделенных вакуумом.Внутренняя сфера имеет радиус 12,5 см, а внешняя сфера — 14,8 см. На конденсатор подается разность потенциалов 120 В. а) Какая емкость конденсатора? б) Какова величина электрического поля за пределами внутренней сферы? (c) Какова величина электрического поля внутри внешней сферы? (d) Для конденсатора с параллельными пластинами электрическое поле однородно в области между пластинами, за исключением краев пластин. Верно ли это и для сферического конденсатора?

а.89,6 пФ; б. 6,09 кВ / м; c. 4,47 кВ / м; d. нет

Все конденсаторы, показанные ниже, не заряжаются, когда между точками A и B подается потенциал 300 В при разомкнутом переключателе S. а) Какова разница потенциалов? (б) Каков потенциал в точке E после включения переключателя? (c) Сколько заряда проходит через выключатель после его включения?

Электронные вспышки для фотоаппаратов содержат конденсатор для хранения энергии, используемой для создания вспышки.В одном из таких устройств вспышка длится 1/675 доли секунды при средней выходной мощности 270 кВт. (а) Если преобразование электрической энергии в свет имеет эффективность 95% (потому что остальная энергия идет в тепловую энергию), сколько энергии должно храниться в конденсаторе для одной вспышки? (b) Конденсатор имеет разность потенциалов между пластинами 125 В, когда запасенная энергия равна значению, сохраненному в части (а). Какая емкость?

Сферический конденсатор состоит из двух концентрических сферических проводящих оболочек, разделенных вакуумом. Внутренняя сфера имеет радиус 12,5 см, а внешняя сфера — 14,8 см. На конденсатор подается разность потенциалов 120 В. а) Какова плотность энергии за пределами внутренней сферы? б) Какова плотность энергии внутри внешней сферы? (c) Для конденсатора с параллельными пластинами плотность энергии однородна в области между пластинами, за исключением краев пластин. Верно ли это и для сферического конденсатора?

Металлическая пластина толщиной t удерживается на месте между двумя пластинами конденсатора пластиковыми штифтами, как показано ниже.Влияние штифтов на емкость незначительно. Площадь каждой пластины конденсатора, а также площадь верхней и нижней поверхностей вставленной пластины равны A . Какова емкость этой системы?

Конденсатор с параллельными пластинами заполнен двумя диэлектриками, как показано ниже. Когда площадь пластины составляет A , а расстояние между пластинами составляет d , покажите, что емкость равна

.

Конденсатор с параллельными пластинами заполнен двумя диэлектриками, как показано ниже.Покажите, что емкость равна

.

Конденсатор имеет параллельные пластины с разделением на 2,0 мм. Пространство между плитами заполнено пенополистиролом. (а) Найдите максимально допустимое напряжение на конденсаторе, чтобы избежать пробоя диэлектрика. (б) Когда напряжение равно значению, указанному в части (а), найдите поверхностную плотность заряда на поверхности диэлектрика.

Глоссарий

пробой диэлектрика
Явление, которое возникает, когда изолятор становится проводником в сильном электрическом поле
диэлектрическая прочность
критическая напряженность электрического поля, выше которой молекулы в изоляторе начинают разрушаться, а изолятор начинает проводить
индуцированный электродипольный момент
дипольный момент, который может приобрести неполярная молекула, когда она помещена в электрическое поле
индуцированное электрическое поле
электрическое поле в диэлектрике из-за наличия индуцированных зарядов
индуцированные поверхностные заряды
зарядов, возникающих на поверхности диэлектрика из-за его поляризации

Электричество — Диэлектрические материалы — Физика 299

Электричество — Диэлектрические материалы — Физика 299

«Фундаментальные исследования.
это все равно что стрелять в воздух стрелой и, когда она приземляется,
раскрашивая мишень.»

Гомер Бертон Адкинс

  • Во всех наших обсуждениях до настоящего времени мы неявно предполагали, что
    наши заряды находились в вакууме или на поверхности
    проводники. Теперь нам нужно подумать, как учесть
    учитывать наличие непроводящего материала в реальном
    Мир. Диэлектрический материал — это просто еще один способ сказать
    непроводящий материал.
  • Представьте себе параллель
    пластинчатый конденсатор, в котором диэлектрический материал помещен между
    пластины (справа внизу).Диэлектрик состоит из
    атомы / молекулы, содержащие положительные и отрицательные
    обвинения. Приложенное электрическое поле между пластинами, E 0 ,
    вызовет положительные и отрицательные заряды составляющих
    атомы / молекулы слегка двигаться в противоположных направлениях
    (верно). Электрические дипольные моменты будут «индуцированы» в
    материал, как показано. Чистый эффект будет взиматься с
    появляются на поверхности диэлектрического материала, как показано.
    Говорят, что диэлектрик поляризован, что приводит к
    поляризация электрического поля, E P .

В
проводников (металлов) есть (почти) свободные электроны, которые будут
перемещаться через материал при приложении электрического поля,
генерирование электрического тока.

  • Сетка E поле
    между пластинами уменьшено,

где k называется диэлектрической проницаемостью или
относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Обратите внимание, что для вакуума, поскольку E P = 0, k = 1
а так как E P 0 для всех остальных
материалы k> 1.

  • Легко показать, что для конденсатора с параллельными пластинами
    напряжение (p. d) между пластинами и запасенная энергия
    уменьшаются в k раз, а емкость равна
    увеличился в k раз.
  • Путем применения закона Гаусса к параллельной пластине
    конденсатор с диэлектриком между пластинами может быть
    Показано, что для учета наличия диэлектрика
    Закон Гаусса принимает вид,

Как правило, когда диэлектрическая среда
присутствует везде, где появляется ε 0 , его необходимо заменить
по ε 0 к.

Химик, биолог и
инженер-электрик сидел в камере смертников и ждал
электрический стул.

Первым выдвинули химика.
«Вы хотите что-нибудь сказать?» спросил
палач, привязав его. «Нет», — ответил химик.
Палач щелкнул выключателем, и ничего не произошло. Согласно законам этого конкретного государства, если попытка казни
не удается, заключенный должен быть освобожден, поэтому химик был
вышел.

Потом привезли биолога
вперед. «Вы хотите что-нибудь сказать?» «Не просто
продолжай. «Палач щелкнул выключателем и
снова ничего не произошло, поэтому биолог был отпущен.

Тогда инженер-электрик был
выдвинуты.»Вы хотите что-нибудь сказать?»
— спросил палач. «Да», — ответил инженер. «Если ты
поменяйте местами красный и синий провода, вы можете сделать это
вещь работа «

Доктор К. Л. Дэвис
Физический факультет
Луисвиллский университет
электронная почта : [email protected]

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *