Провідники і діелектрики в електричному полі. Діелектрична проникність речовин

До провідників належать речовини, які мають заряджені частинки, що здатні рухатись впорядковано по всьому об'єму тіла під дією електричного поля. Заряди цих частинок називають вільними зарядами. Провідниками є всі метали, деякі хімічні сполуки, водні розчини солей, кислот, лугів, розплави солей, іонізовані гази. Розглянемо поведінку в електричному полі тільки твердих металевих провідників. У металах носіями вільних зарядів є вільні електрони. Їх називають електронами провідності.

Під час утворення металу з нейтральних атомів внаслідок взаємодії між ними електрони зовнішніх оболонок атомів повністю втрачають зв'язки зі своїми атомами і стають "власністю" всього провідника в цілому. У результаті позитивно заряджені іони оточені негативно зарядженим газом, що утворюється колективізованими електронами. Вільні електрони беруть участь у тепловому русі і можуть переміщуватися по шматку металу в будь-якому напрямі.

Помістимо незаряджений металевий провідник в однорідне електростатичне поле (рис. 4.1.13).

Під дією поля в ньому виникне впорядкований рух вільних електронів у напрямі, протилежному напряму напруженості ₀ цього поля. Електрони накопичуватимуться на одному боці провідника й утворять там надлишковий негативний заряд, а їх недостача на іншому боці провідника приведе до утворення там надлишкового позитивного заряду, тобто в провіднику відбудеться розподіл зарядів. Ці нескомпенсовані різнойменні заряди з'являться на провіднику лише під дією зовнішнього електричного поля, тобто такі заряди є індукованими, наведеними. А в цілому провідник лишається незарядженим. У цьому переконуємося, виймаючи провідник з електричного поля.

Такий вид електризації, за якого під дією зовнішніх електричних полів відбувається перерозподіл зарядів між частинами певного тіла, називають електростатичною індукцією. Нескомпенсовані електричні заряди, що з'явилися на протилежних частинах провідника, створюють своє власне електричне поле всередині провідника напруженістю _вн, яка напрямлена проти ₀ зовнішнього поля.

У результаті переміщення вільних носіїв заряду і накопичення їх на протилежних частинах провідника напруженість _вн внутрішнього поля збільшується і, нарешті, дорівнюватиме за модулем напруженості ₀ зовнішнього поля. Це приводить до того, що напруженість результуючого поля всередині провідника дорівнюватиме нулю:

E = E₀ - E_вн.

При цьому наступає рівновага зарядів на провіднику. Таким чином, за умови рівноваги зарядів на провіднику весь нескомпенсований заряд знаходиться тільки на зовнішній поверхні провідника, а в середині провідника електричного поля немає. Це явище використовують для створення електростатичного захисту. На відміну від гравітаційного поля від електричного поля можна захиститися, якщо оточити провідник, наприклад, мідними листами. На практиці це використовується для захисту від потужного електричного поля радіолокаторів та радіостанцій, випромінювання яких може зашкодити здоров'ю; для запобігання дії електричного поля на чутливі прилади.

Явище електростатичної індукції дозволяє заряджати провідники, зокрема привівши їх в контакт, а потім відсунувши одне від одного, не виносячи із зовнішнього електричного поля.

Таким чином, ми з'ясували, що якщо помістити провідник в електричне поле, спостерігається його електризація. А як буде вести себе діелектрик в електричному полі?

Діелектриками або ізоляторами називають такі тіла, через які електричні заряди не можуть переходити від зарядженого тіла до незарядженого. Ця властивість діелектриків зумовлена тим, що у них за певних умов немає вільних носіїв заряду. Якщо умови змінюються, наприклад, під час нагрівання, в діелектрику можуть виникнути вільні носії заряду і він почне проводити електрику. Отже, поділ речовин на провідники і діелектрики є умовним.

До діелектриків належать усі гази за нормальних умов, рідини (гас, спирти, ацетон, дистильована вода та ін.), тверді тіла (скло, пластмаси, сухе дерево, папір, гума тощо).

У діелектриках електричні заряди не можуть (так як і вільні заряди провідника) переміщуватися під дією електричного поля по всьому об'єму тіла.

Усередині діелектрика електричне поле може існувати. Притягання незарядженого тіла (діелектрика) до зарядженого тіла пояснюється тим, що в електричному полі відбувається поляризація діелектрика, тобто зміщення в протилежні боки різнойменних зв'язаних зарядів, що входять до складу атомів і молекул таких речовини.

Діелектрики поділяють на два види:

1) полярні, які складаються із молекул, у яких центри розподілу позитивних і негативних зарядів не збігаються (вода, спирти та ін.);

2) неполярні, що складаються з атомів або молекул, у яких центри розподілу позитивних і негативних зарядів збігаються (бензол, інертні гази, поліетилен та ін.).

Якщо полярний діелектрик опустити в електричне поле, то його молекули починають повертатися своїми позитивно зарядженими сторонами до негативно заряджених пластин зовнішнього поля, а негативно зарядженими - до позитивно заряджених пластин. У результаті на поверхні діелектрика виникає досить тонкий шар зарядів протилежних знаків, які й створюють зустрічне поле. Однак на відміну від провідників це поле вже нездатне повністю скомпенсувати зовнішнє, а лише послаблює його в разів.

Якщо ж в електричне поле помістити неполярний діелектрик, то його молекула деформується, в результаті чого він стає схожим на полярний.

Для характеристики електричних властивостей діелектриків уведено особливу величину, яку називають діелектричною проникністю. Це фізична стала, яка показує у скільки разів модуль напруженості електричного поля _вн всередині діелектрика менший від модуля напруженості ₀ у вакуумі:

.

Діелектричну проникність знайдено для всіх діелектриків і занесено до таблиць. Для дистильованої води e = 81, а для гасу - 2.

Таким чином, в діелектриках, як і в провідниках, спостерігається індукція електричних зарядів. Однак, якщо в електричному полі розділити діелектрик на дві частини, то ми не одержимо різнойменно заряджених тіл. У цьому полягає відмінність індукції в діелектриках від індукції в провідниках.

Діелектрик, поміщений в електричне поле, зумовлює зменшення напруженості поля і відповідно зменшення сили взаємодії між зарядами, що знаходяться в діелектрику, порівняно з силою взаємодії між зарядами у вакуумі (див. формулу (4.1.4)).

Запитання для самоперевірки

a. Що розуміють під роботою електричного поля?

2. Від чого залежить робота з переміщення заряду з однієї точки поля в іншу?

3. Чому дорівнює робота з переміщення заряду по замкненому контурі?

4. Наведіть формулу роботи з переміщення заряду в електричному полі.

5. Що називають потенціалом електростатичного поля? Яка формула виражає зміст цього поняття?

6. Що називають різницею потенціалів між двома точками поля? Яка формула виражає зміст цього поняття?

7. Виведіть одиницю потенціалу і різниці потенціалів у системі СІ і сформулюйте визначення цієї одиниці.

8. Що називають електричною напругою, який її зв'язок з різницею потенціалів?

9. За якою формулою знаходять потенціал електростатичного поля точкового заряду?

10. Які поверхні називають еквіпотенціальними?

11. Яка формула виражає зв'язок напруженості і різниці потенціалів в однорідному електричному полі?

12. Які речовини називають провідниками?

13. Які електричні заряди називають вільними?

14. Які частинки є носіями вільних зарядів у металах?

15. Що відбувається в металі, поміщеному в електричне поле?

16. Як розподіляється по провіднику наданий йому заряд?

17. Якщо провідник, що знаходиться в електричному полі, розділити на дві частини, як будуть заряджені ці частини?

18. На якому принципі ґрунтується електростатичний захист?

19. У чому полягає явище електростатичної індукції?

20. Над блискавковідводом проходить негативно заряджена хмара. Поясніть на підставі електронних уявлень, чому на вістрі блискавковідводу виникає заряд? Яким є його знак?

21. Які речовини називають діелектриками?

22. Які діелектрики називають полярними, а які - неполярними?

23. Виконайте рисунок і поясніть сутність явища поляризації діелектриків.