Электростатическое поле в веществе Часть I Электростатическое поле

Электростатическое поле в веществе Часть I. Электростатическое поле в диэлектриках.

1. Диэлектрики. Диэлектрик (изолятор) – это вещество с малой концентрацией или отсутствием свободных носителей заряда. Свободные носители заряда – электроны, не связанные с ядрами атомов. В молекулах диэлектриков электроны связаны с ядрами атомов и образуют электронейтральные системы: положительный заряд ядра уравновешивается отрицательным зарядом электронов.

Электрический диполь – электронейтральная система, из 2 -х равных по абсолютной величине разноименных точечных зарядов q, находящихся на расстоянии l друг от друга. Поляризация – процесс ориентации диполей (молекул) вдоль силовых линий внешнего электрического поля.

Типы диэлектриков • Неполярные • Полярные • Ионные

Неполярные диэлектрики О С О

Полярные диэлектрики С О N H S О О H H

Ионные диэлектрики

Типы диэлектриков и поляризации Неполярные Полярные Ионные Строение вещества Молекулы имеют симметричное строение, «центры тяжести» положит и отрицат зарядов совпадают Молекулы имеют асимметричное строение, «центры тяжести» положит и отрицат зарядов не совпадают В ионной кристаллической решетке чередуются положит и отрицат ионы Пример Азот (N 2), кислород (О 2), углекислый газ (СО 2), метан (СН 4), бензол (С 6 Н 6) Дипольный момент без внешнего поля р=0 ± Вода (Н 2 О), угарный Поваренная соль газ (СО), сернистый газ (Na. Cl), калийная соль (SO 2), аммиак (NH 3) (KCl), бромистый калий (KBr) рǂ0 р=0

Неполярные Полярные Ионные Механизм поляризаци и в эл-ом поле Возникновение дипольного момента за счет деформации молекулы и ориентация диполя вдоль силовых линий эл. поля Ориентация диполя вдоль силовых линий эл. поля Смещение положит и отрицат подрешеток вдоль силовых линий эл. поля Тип поляризации Электронная (деформационная) Ориентационная (дипольная) Ионная

2. Поляризованность (вектор поляризации) – векторная физическая величина, равная дипольному моменту единицы объема диэлектрика. Р – поляризованность, [Кл/м 2] - cумма дипольных моментов всех молекул, находящихся в объеме V Экспериментально установлена связь между поляризованностью Р и напряженностью электрического поля Е:

- диэлектрическая восприимчивость вещества - для большинства диэлектриков Например: χ = 80 – для дистиллированной воды, χ =25 - для спирта, χ = 1, 5 – для стекла, χ =1 – для резины и парафина где ε - диэлектрическая проницаемость вещества

3. Электрическое поле в диэлектрике В результате смещения зарядов при поляризации на поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные заряды, называемые связанными. Они создают внутри диэлектрика электрическое поле, направленное противоположно внешнему полю. Общее поле внутри диэлектрика всегда слабее внешнего. Е 0 – напряженность внешнего электрического поля, Е – напряженность электрического поля внутри диэлектрика, Е’ – напряженность электрического поля внутри диэлектрика.

- поле созданное связанными зарядами (двумя параллельными пластинами с поверхностной плотностью заряда σ’) - поверхностная плотность связанных зарядов численно равна поляризованности - поле внутри диэлектрика ослабляется по сравнению с внешним полем в ε раз Физический смысл ε: Показывает во сколько раз электрическое поле ослабляется в диэлектрике по сравнению с полем в вакууме. Для вакуума ε = 1

- напряженность поля точечного заряда в диэлектрике - сила взаимодействия двух точечных зарядов (сила Кулона) в диэлектрике - потенциал поля точечного заряда в диэлектрике - энергия взаимодействия двух точечных зарядов в диэлектрике

4. Вектор электрического смещения При переходе из одной среды в другую вектор Е может скачкообразно меняться. Для удобства описания электрических полей вводят вектор электрического смещения. D – вектор электрического смещения, [Кл/м 2] – это физическая величина, описывающая электрическое поле, создаваемое свободными зарядами. Связанные заряды, возникающие в диэлектрике, могут вызывать перераспределение свободных зарядов. Вектор электрического смещения D характеризует электрическое поле, создаваемое свободными зарядами, но при таком их распределении, которое имеется при наличии диэлектрика. Линии Е начинаются и заканчиваются на любых зарядах, Линии D начинаются и заканчиваются только на свободных зарядах

5. Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике Поток вектора смещения электростатического поля в диэлектрике сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме свободных зарядов, заключенных внутри этой поверхности. - т. Гаусса для электростатического поля в диэлектрике где ФD – поток вектора электрического смещения сквозь замкнутую поверхность S, qi – свободные заряды.

6. Условия на границе раздела диэлектриков Вектора D и Е при переходе из одного диэлектрика в другой скачкообразно меняются на границе. Еn 1 и Еn 2 – нормальные к поверхности составляющие вектора Е Еτ1 и Еτ2 – тангенциальные составляющие вектора Е

Dn 1 и Dn 2 – нормальные к поверхности составляющие вектора D Dτ1 и Dτ2 – тангенциальные составляющие вектора D

7. Сегнетоэлектрики – это кристаллические диэлектрики, обладающие спонтанной поляризованностью в определенном интервале температур. При этом наблюдается нелинейная зависимость между поляризованностью Р и напряженностью внешнего электрического поля Е – диэлектрический гистерезис. Пример: сегнетова соль, титанат бария, гидрофосфат калия. Спонтанная поляризованность – наличие электрического дипольного момента в отсутствии электрического поля.

8. Пьезоэлектрики – это кристаллические вещества, в которых при сжатии или растяжении в определенных направлениях возникает электрическая поляризация даже в отсутствие внешнего электрического поля. Это явление называется прямой пьезоэффект. Пример пьезоэлектрика – кварц. Обратный пьезоэффект – появление механической деформации под действием электрического поля.