Поляризація діелектриків
Косенко І.С.
Вільнотерешківська
ЗОШ І-ІІІ ступенів ім.І.М.Волочая
Діелектрики
- Діелектрики - це речовини, які не мають вільних заряджених частинок. Тому діелектрики не можуть проводити електричний струм, оскільки немає часинок, які б переміщувались під дією електричного поля.
- Діелектриками є більшість твердих тіл (фарфор, янтар, ебоніт, скло, кварц, мрамор та ін.), деякі рідини (наприклад, дистильована вода) і всі гази.
Щоб одержати потрібну електроємність за заданої робочої напруги, конденсатори з'єднують у батареї. Для більшої електроємності конденсатори з'єднують паралельно (мал. 113). Тоді систему конденсаторів можна розглядати як один конденсатор, електроємність С якого дорівнює сумі електро-ємностей усіх конденсаторів системи:
С = С1 + С2 + С3 +...+Сn. (54.1)
У разі послідовного з'єднання (мал. 114) електроємність С усієї батареї визначається з виразу:
Діелектрики
Полярні
Неполярні
Полярні діелектрики
- В полярних діелектриках молекули є диполями, в яких центри розподілу позитивних та негативних зарядів не співпадають (заряди + та – віддадені один від одного на певну відстань).
- До таких діелектриків відносяться спирт, вода, аміак та ін.
Неполярні діелектрики
- Неполярні діелектрики складаються із атомів або молекул, у яких центри розподілу позитивних і негативних зарядів співпадають.
- До таких речовин відносяться інертні гази, водень, кисень, поліетилен та ін.
Поляризація діелектриків
- Якщо діелектрик помістити у зовнішнє електричне поле, то відбувається поляризація діелектрика. В цьому процесі молекули діелектрика орієнтуються за зовнішнім електричним полем. На протилежних поверхнях диполя з’являються зв’язані заряди.
- Це приводить до того, що в діелектриках виникає своє електричне поле, напрямлене проти зовнішнього, і в сумі поле всередині діелектрика буде менше зовнішнього.
ПОЛЯРНИЙ ДІЕЛЕКТРИК В ЗВИЧАЙНОМУ СТАНІ
Ез
Еі
зовнішнє
індукційне
ПОЛЯРНИЙ ДІЕЛЕКТРИК В ЕЛЕКТРИЧНОМУ ПОЛІ
Результатом суперпозиції двох електричних полів – зовнішнього електричного поля і власного поля діелектрика – буде електричне поле, співнапрямлене з зовнішнім, але слабше за величиною.
Е = Е0 – Е1
ПОЛЯРНІ ДІЕЛЕКТРИКИ В Е-ПОЛІ
Прикладами неполярного діелектрика може бути інертні гази (у них атомарна структура). У атомі електричний заряд розподілений симетрично (центри розподілу позитивного і негативного зарядів співпадають).
Неполярні діелектрики
Якщо неполярний діелектрик помістити у зовнішнє електричне поле Eo, то під його впливом відбудеться переорієнтація в просторі ядра та електронної оболон-ки, в результаті чого утвориться ДИПОЛЬ. Подальша поведінка аналогічна полярним діелектрикам. Електронна поляризація відбувається за час 10-15 с.
Неполярні діелектрики в Е-полі
Неполярний діелектрик в звичайному стані
Неполярний діелектрик в електричному полі
Неполярний діелектрик в електричному полі
Отже, у полярних діелектриках під дією зовнішнього електричного поля на протилежних його поверхнях теж виникає надлишкова концентрація + та – зарядів, в результаті чого створюється індукційне електростатичне поле, яке дещо послаблює зовнішнє. Діелектрична проникність неполярних діелектриків дещо більша, аніж у полярних.
Неполярні діелектрики в електричному полі
В багатьох неполярних молекулах при поляризації деформуються електронні оболонки, тому цей механізм називають електронною поляризацією.
В твердих кристалічних діелектриках спостерігається йонна поляризація, за якої йони різних знаків, які утворюють кристалічну гратку, при накладанні зовнішнього поля зміщаються в протилежні напрями
- Електричне поле поляризаційних зарядів завжди спрямоване назустріч зовнішньому полю, тому зовнішнє поле всередині діелектрика послаблюється (але не компенсується повністю, як у провідниках), а поблизу діелектрика поле спотворюється.
ε =
Е
Е
о
- Ео –напруженість електричного поля у вакуумі
- Е – напруженість електричного поля в діелектрику
- -діелектрична проникність середовища
ДІЕЛЕКТРИЧНА ПРОНИКНІСТЬ
| Рідини | ε |
| Бензин | 1,9 – 2,0 |
| Масло трансф. | 2,2 |
| Спирт | 26 |
| Гліцерин | 43 |
| Вода | 81 |
| Гази | ε |
| Гелій | 1,000068 |
| Водень | 1,000252 |
| Азот | 1,000528 |
| Повітря | 1,00057 |
| Вугл. газ CO2 | 1,00099 |
| Тверді тіла | ε |
| Парафін | 1,9 – 2,2 |
| Поліетилен | 2,25 |
| Папір | 2,0 – 3,5 |
| Оргскло | 3,5 |
| Дерево сухе | 2,3 – 3,7 |
| Гума | 3,0 – 6,0 |
| Порцеляна | 4,4 – 6,8 |
| Скло | 6 - 10 |
| Лід | 70 |
| Титанат барію | 1200 |
Для вакууму ε = 1
ДІЕЛЕКТРИЧНА ПРОНИКНІСТЬ
Закон Кулона для зарядів у діелектрику
Напруженість поля точкового заряду у діелектрику
Напруженість поля нескінченої рівномірно зарядженої площини у діелектрику, де σ – поверхнева густина заряду
Напруженість поля нескінчено довгої зарядженої нитки у діелектрику, де τ – лінійна густина заряду
Напруженість електричного поля сфери радіуса R, заряд якої рівномірно розподілений по її поверхні:
Е = 0, при r < R
, при r > R