Что такое диэлектрик для физика ответ. Диэлектрики в физике: свойства, виды и применение

Что такое диэлектрики в физике. Какими свойствами обладают диэлектрики. Какие виды диэлектриков существуют. Где применяются диэлектрики в технике и промышленности. Чем диэлектрики отличаются от проводников.

Что такое диэлектрики в физике

Диэлектрики — это вещества, которые практически не проводят электрический ток в обычных условиях. Главное свойство диэлектриков — очень низкая электропроводность. В диэлектриках практически отсутствуют свободные заряженные частицы, способные создавать электрический ток.

Основные характеристики диэлектриков:

• Очень высокое удельное электрическое сопротивление (10^8 — 10^20 Ом·м)
• Способность к поляризации во внешнем электрическом поле
• Диэлектрическая проницаемость больше 1
• Отсутствие свободных носителей заряда

Чем диэлектрики отличаются от проводников? В проводниках есть свободные носители заряда (электроны), которые могут свободно перемещаться по всему объему вещества. В диэлектриках заряженные частицы связаны внутри молекул и не могут свободно перемещаться.

Механизм поляризации диэлектриков

При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле происходит явление поляризации. Что представляет собой поляризация диэлектриков?

• Смещение связанных зарядов внутри молекул
• Ориентация полярных молекул вдоль силовых линий поля
• Появление внутреннего электрического поля, направленного против внешнего
• Возникновение поверхностных связанных зарядов

В результате поляризации диэлектрик ослабляет внешнее электрическое поле внутри себя в ε раз, где ε — диэлектрическая проницаемость вещества.

Основные виды диэлектриков

Выделяют следующие основные типы диэлектриков:

1. Полярные диэлектрики

Молекулы полярных диэлектриков представляют собой электрические диполи даже в отсутствие внешнего поля. При наложении поля диполи ориентируются вдоль его силовых линий.

Примеры полярных диэлектриков: вода, спирты, ацетон.

2. Неполярные диэлектрики

Молекулы неполярных диэлектриков симметричны, их электрический момент равен нулю. Во внешнем поле происходит деформация электронных оболочек атомов.

Примеры неполярных диэлектриков: парафин, полиэтилен, бензол.

3. Ионные кристаллы

Кристаллическая решетка состоит из чередующихся положительных и отрицательных ионов. Во внешнем поле происходит смещение ионных подрешеток.

Примеры ионных диэлектриков: хлорид натрия, оксид алюминия.

Применение диэлектриков

Благодаря своим свойствам диэлектрики находят широкое применение в технике и промышленности:

• Электрическая изоляция проводов, кабелей, электрических устройств
• Диэлектрики в конденсаторах для накопления заряда
• Подложки интегральных микросхем
• Оптические элементы (линзы, призмы) из прозрачных диэлектриков
• Пьезоэлектрики в датчиках и преобразователях
• Сегнетоэлектрики в устройствах памяти

Диэлектрическая проницаемость

Важнейшей характеристикой диэлектриков является диэлектрическая проницаемость ε. Она показывает, во сколько раз ослабляется напряженность электрического поля внутри диэлектрика по сравнению с вакуумом.

Диэлектрическая проницаемость некоторых веществ:

• Вакуум: ε = 1
• Воздух: ε ≈ 1.0006
• Парафин: ε = 2.0-2.5
• Слюда: ε = 6-7
• Вода: ε = 81

Чем выше диэлектрическая проницаемость, тем сильнее диэлектрик ослабляет внешнее электрическое поле.

Пробой диэлектриков

При достаточно сильном внешнем электрическом поле в диэлектрике может произойти пробой — резкое увеличение электропроводности и потеря изолирующих свойств.

Основные механизмы пробоя диэлектриков:

• Электрический пробой — образование проводящего канала
• Тепловой пробой — разогрев диэлектрика током утечки
• Электрохимический пробой — разложение вещества

Для каждого диэлектрика существует критическая напряженность поля, при которой происходит пробой. Это называется электрической прочностью диэлектрика.

Сравнение диэлектриков и проводников

В чем основные отличия диэлектриков от проводников?

Параметр	Диэлектрики	Проводники
Удельное сопротивление	10^8 — 10^20 Ом·м	10^-8 — 10^-5 Ом·м
Свободные носители заряда	Отсутствуют	Присутствуют
Поведение во внешнем поле	Поляризация	Электростатическая индукция
Электропроводность	Очень низкая	Высокая

Таким образом, диэлектрики и проводники кардинально различаются по своим электрическим свойствам и поведению во внешних полях.

Заключение

Диэлектрики играют важнейшую роль в современной технике и электронике. Их уникальные свойства позволяют создавать изоляцию, накапливать заряд, управлять электрическими и оптическими сигналами. Понимание физики диэлектриков необходимо для разработки новых материалов и устройств.

Диэлектрики: что это такое, примеры

Определение 1

Диэлектриками называют вещества, не обладающие способностью проводить электрический ток.

Стоит отметить, что данное определение лишь приблизительно выражает физический смысл приведенного понятия.

Абсолютных изоляторов, то есть веществ, которые совсем не проводят ток, в природе не существует. Диэлектрики по сравнению с проводниками в 1015−1020 раз хуже проводят ток. Данный факт основывается на том, что в диэлектриках отсутствуют свободные заряды.

Что такое диэлектрики и их примеры

Определение 2

Если диэлектрик поместить в электрическое поле, то, как диэлектрик, так и само поле значительно изменятся. В диэлектриках, в которых до контакта с полем не было заряда, возникают электрические заряды. Это явление объясняется процессом поляризации вещества, другими словами, в поле диэлектрик обретает электрические полюсы. Возникающие при этом заряды называются поляризационными.

Разделить такие заряды невозможно, чем они существенно отличаются от индукционных зарядов в проводниках. Данное отличие основывается на том факте, что в металлах присутствуют электроны, имеющие возможность перемещаться на относительно большие расстояния. В диэлектриках положительные и отрицательные заряды связаны между собой, и их перемещение ограничено пределами одной молекулы, что является крайне малым расстоянием.

Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул, либо из закрепленных в положении равновесия, к примеру, в узлах кристаллической решетки заряженных ионов. Ионные кристаллические решетки могут быть разбиты на, в целом, нейтральные «элементарные ячейки».

Действие электрического поля на заряды, принадлежащие диэлектрику, провоцирует лишь легкое смещение относительно изначального положения, тогда как заряды проводников, испытывающие такое же влияние, срываются с места. В условиях отсутствующего электрического поля диэлектрик может быть условно представлен в виде совокупности молекул, в каждой из которых положительные и отрицательные заряды равные по величине распределены по всему объему вещества.

Определение 3

В процессе поляризации заряды каждой отдельной молекулы диэлектрика смещаются в противоположные ее стороны. Соответственно, одна часть молекулы становиться положительно заряженной, а другой — отрицательно, что, в общем, дает возможность заявить: молекула превращается в электрический диполь.

Равнодействующая электрических сил, в однородном поле оказывающих влияние на нейтральную молекулу диэлектрика, эквивалентна нулю. Этот факт основывается на том, что центр тяжести молекулы не передвигается ни в одну из сторон. Молекула просто претерпевает деформирование.

Определение 4

Существуют такие диэлектрики, в которых в условиях отсутствующего электрического поля молекулы имеют дипольный момент (полярные молекулы).

В случае, когда поле отсутствует, такие молекулы, принимающие непосредственное участие в тепловом движении, ориентированы беспорядочно. Если же диэлектрик находится в поле, молекулы, в основном, ориентируются по его направлению. Соответственно, диэлектрик проходит процесс поляризации.

Определение 5

У симметричных молекул, таких как, к примеру, O2, N2, в отсутствие поля центры тяжести отрицательных и положительных зарядов одинаковы. По этой причине собственного дипольного момента у молекул нет (неполярные молекулы). У несимметричных же молекул (возьмем в качестве примера h3O, CO) центры тяжести сдвинуты друг относительно друга, в результате чего молекулы имеют дипольный момент и носят название полярных.

Также существуют диэлектрические или же ионные кристаллы, которые формируются при помощи ионов с противоположным знаком. Такой кристалл состоит из пары “вдвинутых” друг в друга кристаллических решеток, одна из которых является положительной, а вторая — отрицательной. В целом кристалл условно можно принять за подобие гигантской молекулы. Процесс наложения электрического поля провоцирует сдвиг одной решеток относительно друг друга, вследствие чего и происходит поляризация ионных кристаллов.

Существует также тип поляризованных без участия поля кристаллов. При дальнейшем исследовании поведения диэлектриков в электрических полях механизм возникновения поляризации значения иметь не будет. Существенным фактом является только то, что поляризация диэлектрика происходит через появление некомпенсированных макроскопических зарядов. Значения объемной плотность зарядов (ρ) и поверхностной плотности (σ) неполяризованного диэлектрика равняются нулю. После же процесса поляризации σ≠0, а в некоторых случаях и ρ≠0. Поляризация приводит к появлению в тонком поверхностном слое диэлектрика избытка связанных зарядов с одним знаком. В том случае, если ортогональная или же перпендикулярная часть напряженности поля En→≠0 на приведенном участке, то в результате влияния поля заряды с одним знаком уходят внутрь, а с другим, наоборот, выходят наружу.

Вектор поляризации диэлектрика

Определение 6

Поляризованность P→ или, другими словами, вектор поляризованности характеризует степень поляризации диэлектрика:

P→=∆ρ→∆V,

где ∆ρ представляет собой дипольный момент элемента диэлектрика.

Определение 7

В условиях неполярных молекул вектор поляризованности может быть определен в следующем виде:

P→=1∆V∑∆Vρi→=Nρ0→,

где сложение идет относительно всех молекул в объеме △V. N — концентрация молекул,
ρ0→ является индуцированным дипольным моментом (Он один и тот же у всех молекул). ρ0→↑↑E→.

Определение 8

Формула поляризованности в условиях полярных молекул принимает вид следующего выражения:

P→=1∆V∑∆Vρi→=Np→,

в котором P→ представляет собой среднее значение дипольных моментов, которые равнозначны по модулю, но обладают разными направлениями.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

В изотропных диэлектриках средние дипольные моменты по направлению идентичны напряженности внешнего электрического поля. У диэлектриков с молекулами полярного типа, вклад в поляризованность от наведенных зарядов значительно ниже вклада от переориентации поля.

Определение 9

Ионная решеточная поляризации может быть описана следующей формулой: P→=1∆V∑∆Vρi→=Np→.

В большей части случаев подобная поляризация является

анизотропной.

Пример 1

Если представить плоский конденсатор, который заполнен диэлектриком так, как это проиллюстрировано на рисунке 1, то на принадлежащей ему левой обкладке расположен положительный заряд, а на правой — отрицательный. По причине того факта, что разноименные заряды притягиваются друг к другу, у положительной обкладки на поверхности диэлектрика появится отрицательный заряд, а у правой, то есть отрицательной – положительный заряд диэлектрика. Выходит, что поле, формирующееся поляризационными зарядами, имеет противоположное направлению поля направление, которое создают обкладки, соответственно, диэлектрик ослабляет поле.

Рисунок 1

+q,−q представляют собой заряды на обкладках конденсатора.

E→ является напряженностью поля, которое формируется обкладками конденсатора.

−q′, +q′- это заряды диэлектрика.

E→’ — напряженность поля, которое создается как результат поляризации диэлектрика.

Явление влияния вещества на магнитное и электрическое поля было эмпирическим путем открыто Фарадеем. Именно этим ученым было в науку были введены такие термины, как диэлектрик и диэлектрическая постоянная.

Теорема 1

В случае если однородный изотропный диэлектрик полностью заполняет собой объем, ограниченный эквипотенциальными поверхностями поля сторонних зарядов, то напряженность поля внутри него в ε раз меньше напряженности поля сторонних зарядов.

E→’=E→ε,

где ε определяет диэлектрическую проницаемость среды.

Напряженность поля точечного заряда, который расположен в диэлектрике с некоторой диэлектрической проницаемостью ε, может быть выражена в виде следующего выражения:

E→=14πεε0qr3r→.

Закон Кулона для зарядов, находящихся в жидком и газообразном диэлектрике принимает такой вид:

F→=14πεε0q1q2r3r→.

Пример 2

Задание: Бесконечную плоскую пластину из однородного изотропного диэлектрика разместили в однородном электростатическом поле с напряженностью E=200 Вм, направленной под прямым углом силовым линиям поля. Диэлектрическая проницаемость диэлектрика равняется 2. Какова напряженность поля внутри диэлектрика?

Решение

Поле в вакууме в ε раз сильнее, чем поле в диэлектрике, по этой причине запишем, что:

E→’=E→ε.

Произведем некоторые расчеты:

E→’=2002=100 Вм.

Ответ: Напряженность поля в пластине будет 100 Вм.

Пример 3

Задание: Заряженные шарики обладают массойm1=m2=m. Они подвешены на нитях, имеющих одинаковые значения длины, в одной точке, их заряды эквивалентны q1 и q2( смотри рисунок 1). Изначально они располагаются в воздухе (диэлектрическая проницаемость ε1), после этого погружаются в жидкость ε2. Каково отношение диэлектрических проницаемостей ε2ε1, если при погружении в жидкость системы из шариков угол расхождения нитей не претерпел изменений? Отношение плотности шариков к плотности диэлектрика ρshρd=b.

Решение

Рисунки 2 и 3

Запишем условие равновесия шарика в симметричной системе в воздухе:

Fe1→+mg→+N1→=0.

Теперь выразим условие равновесия одного шарика в жидкости:

Fe2→+mg→+N2→+FA→=0.

Запишем проекции уравнения Fe1→+mg→+N1→=0 на оси:

Ох: Fe1-N1sina2=0,

Oy: mg-N1cosα2=0.

Проекции уравнения Fe2→+mg→+N2→+FA→=0 на оси:

Ох: Fe2-N2sinα2=0,

Oy: mg-N2cosα2-FA=0.

Берем отношение уравнения Fe1-N1sina2=0 и mg-N1cosa2=0, в качестве результата получаем:

tga2=Fe1mg.

Уравнение Fe2-N2sina2=0 на уравнение mg-N2cosa2-FA=0, получаем:

tga2=Fe2mg-FA→Fe1mg=Fe2mg-FA.

Основываясь на законе Кулона, запишем такое выражения для Fe1, Fe2:

Fe1=q1q24πε1ε0r2 и Fe2=q1q24πε2ε0r2.

Модуль силы Архимеда равняется следующему выражению:

FA=ρdVg=ρdmρshg.

Подставим в уравнение tga2=Fe2mg-FA→Fe1mg=Fe2mg-FA уравнения  Fe1=q1q24πε1ε0r2 и

Fe2=q1q24πε2ε0r2, в результате получим:

q1q24πε1ε0r2mg=q1q24πε2ε0r2mg-ρdmρshg→1ε11=1ε21-ρdρsh→ε2ε1=11-ρdρsh=11-b.

Ответ: Диэлектрическая проницаемость жидкости должна быть ε2e1=11-b.

Что такое диэлектрик для физика?

Гость

Диэлектрики не проводят ток, проводники – проводят.

Котик6Всего 1 ответ.

Другие интересные вопросы и ответы

Почему диэлектрики так называются, они же не “двойные электрики”?

il631

В данном слове первое слово “ди”, что в переводе с греческого означает “через”. Дело в том, что диэлектрики пропускают электрическое поле, а проводники электрического тока этого не допускают, они становятся своего рода экраном. Именно поэтому возникло название для материалов, которые имеют низкую электрическую проводимость. Более подробно можно узнать об этом можно в работах ученого XIX века, именем которого названа единица измерения электрической емкости и известная металлическая клетка.

Вл503Всего 2 ответа.

Чем отличается поляризация диэлектриков от явления электростатической индукции?

Заранее извиняюсь за халтурство, но сейчас 4,50 и я нечего практически не соображаю, а лаб. работу замерять в 11,40. Спасибо тем кто даст ответ!Guest2

Ответ. Электростатическая индукция- это разделение электрических зарядов на проводниках и диэлектриках под влиянием внешнего электрического поля. Для диэлектриков это приводит к их поляризации. Поляризация- это ориентирование диполей (реальных и наведенных) под влиянием электрического поля. Более подробное объяснение в любом учебнике (справочнике) по физике.

Гость2Всего 1 ответ.

Что такое диэлектрик для физика?

Анка Пулемётчица1

Это все то …что не проводит электричество!Андрей2

Всего 3 ответа.

Что делать, чтобы меня не било статическое электричество от всех предметов?

Yuliya Odintsova1

Источник: www.bestreferat.ru

Не носить синтетику. Увлажнить воздух в помещении. Статический электрический заряд создаётся при трении одного материала о другой, чаще всего это происходит при трении синтетических и шерстяных тканей. Ну, и через владный воздух статический заряд может потихонечку стекать. А сухой воздух – прекрасный диэлектрик.

Алексей Насретдинов1Всего 1 ответ.

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. {20}$ раз хуже проводят ток, чем проводники. Дело в том, что в диэлектриках отсутствуют свободные заряды.

Если диэлектрик внести в электрическое поле, то и поле, и сам диэлектрик сильно изменяются. В изначально не заряженных диэлектриках в присутствии поля возникают электрические заряды. Происходит явление поляризации вещества, то есть на диэлектрике в поле возникают электрические полюсы. Заряды, которые появляются при этом, называют поляризационными зарядами. Отделить друг от друга поляризационные заряды не возможно. В этом состоит их существенное отличие от индукционных зарядов в проводниках. Такое отличие объясняется тем, что в металлах присутствуют электроны, которые могут перемещаться на значительные расстояния. В диэлектриках положительные и отрицательные заряды связаны между собой и могут смещаться только в пределах одной молекулы, то есть на очень небольшие расстояния.

Под действие электрического поля, в отличие от проводников, заряды в диэлектрике не срываются полем со своего места, а только слегка смещаются. Диэлектрик в отсутствии электрического поля условно можно представить как совокупность молекул, в каждой из которых положительные и отрицательные заряды равные по величине распределены по всему объему вещества. В состоянии поляризации диэлектрика заряды каждой молекулы смещаются в противоположные стороны, таким образом, один конец молекулы становится положительно заряженным, другой отрицательно. То есть молекула превращается в электрический диполь. Равнодействующая электрических сил, которые действуют на нейтральную молекулу диэлектрика в однородном поле, равна нулю, так как центр тяжести молекулы остается неподвижным. Молекула просто деформируется.

Существуют диэлектрики, в которых молекулы имеют дипольный момент в отсутствии электрического поля (полярные молекулы). Если поле отсутствует, то полярные молекулы участвуют в тепловом движении, ориентированы беспорядочно. При внесении диэлектрика в поле, молекулы ориентируются в основном в направлении поля. Следовательно, диэлектрик поляризуется. У симметричных молекул, например, $O_2,\ N_2,$ при отсутствии поля центы тяжести отрицательных и положительных зарядов совпадают, вследствие, чего собственного дипольного момента у молекул нет (неполярные молекулы). У несимметричных молекул (${например,\ H}_2O,\ CO$) центры тяжести сдвинуты друг относительно друга, в результате чего молекулы имеют дипольный момент и называются полярными.

Существуют диэлектрические кристаллы (ионные кристаллы), которые строятся из ионов противоположного знака. Подобный кристалл состоит из двух кристаллических решеток, положительной и отрицательной, вдвинутых одна в другую. Кристалл в целом можно уподобить гигантской молекуле. При наложении электрического поля происходит сдвиг одной решетки относительно другой, так происходит поляризация ионных кристаллов. Существуют кристаллы, которые поляризованы и без поля. При дальнейшем изучении поведения диэлектриков в электрических полях механизм возникновения поляризации значения иметь не будет. Существенным является лишь то, что поляризация диэлектрика проявляется через возникновение некомпенсированных макроскопических зарядов. Когда диэлектрик не поляризован, объемная плотность его зарядов ($\rho $) и поверхностная плотность ($\sigma $) равны нулю. В результате поляризации $\sigma \ne 0$, а иногда и $\rho \ne 0.$ Поляризация сопровождается возникновением в тонком поверхностном слое диэлектрика избытка связанных зарядов одного знака. В том случае, если перпендикулярная составляющая напряженности поля $\overrightarrow{E_n}\ne 0$ на выделенном участке, то под действием поля заряды одного знака уходят внутрь, а другого выходят наружу.

Вектор поляризации

Степень поляризации диэлектрика характеризуется поляризованностью ($\overrightarrow{P}$) или вектором поляризации:

\[\overrightarrow{P}=\frac{\overrightarrow{\triangle p}}{\triangle V}\ \left(1\right),\]

где $\overrightarrow{\triangle p}$ — дипольный момент элемента диэлектрика. Для неполярных молекул вектор поляризованности можно определить, как:

\[\overrightarrow{P}=\frac{1}{\triangle V}\sum\limits_{\triangle V}{\overrightarrow{p_i}}=N\overrightarrow{p_0}\ \left(2\right),\]

где суммирование идет относительно всех молекул в объеме $\triangle V$. $N$ — концентрация молекул, $\overrightarrow{p_0}$ — индуцированный дипольный момент (Он одинаковый у всех молекул). $\overrightarrow{p_0}\uparrow \uparrow \overrightarrow{E}.$

Формула поляризованности для полярных молекул имеет вид:

\[\overrightarrow{P}=\frac{1}{\triangle V}\sum\limits_{\triangle V}{\overrightarrow{p_i}}=N\left\langle \overrightarrow{p}\right\rangle \left(3\right),\]

где $\left\langle \overrightarrow{p}\right\rangle $ — среднее значение дипольных моментов, которые равны по модулю, но разнонаправлены. В изотропных диэлектриках средние дипольные моменты совпадают по направлению с напряженностью внешнего электрического поля. У диэлектриков с полярного типа молекулами, вклад в поляризованность от наведенных зарядов много меньше, чем вклад от переориентации поля.

Ионная решеточная поляризации описывается формулой (3). В большинстве случаев такая поляризация является анизотропной.

Если представить плоский конденсатор, который заполнен диэлектриком (рис. 1), то на левой обкладке его находится положительный заряд, на правой — отрицательный. Так как притягиваются разноименные заряды, то у положительной обкладки возникнет на поверхности диэлектрика отрицательный заряд, а у правой (отрицательной) — положительный заряд диэлектрика. Получается, что поле, которое создают поляризационные заряды, направлено против поля, которое создают обкладки, то есть диэлектрик ослабляет поле.

Рис. 1

$+q, -q$ — заряды на обкладках конденсатора.

$\overrightarrow{E}$ — напряженность поля, которое создается обкладками конденсатора.

$-q’,\ +q’$ -заряды диэлектрика.

$\overrightarrow{E}’$ — напряженность поля, которое создается в результате поляризации диэлектрика.

Влияние вещества на электрические и магнитные поля было открыто Фарадеем эмпирически. Именно он ввел в науку термины диэлектрик и диэлектрическая постоянная.

Если однородный изотропный диэлектрик заполняет полностью объем, который ограничен эквипотенциальными поверхностями поля сторонних зарядов, то напряженность поля внутри диэлектрика в $\varepsilon $ раз меньше, чем напряженность поля сторонних зарядов. 3}\overrightarrow{r}\ \left(6\right).\]

Пример 2

Задание: Заряженные шарики имеют массы $m_1=m_2=m.\ Они\ $подвешены на нитях одинаковой длины в одной точке, их заряды равны $q_1$ и $q_2$.(рис.1). Сначала они находятся в воздухе (диэлектрическая проницаемость ${\varepsilon }_1$) за тем погружены в жидкость ${\varepsilon }_{2.}$ Каково отношение диэлектрических проницаемостей $(\frac{{\varepsilon }_{2.}}{{\varepsilon }_1})$, если при погружении в жидкость системы из шариков угол расхождения нитей не изменился? Отношение плотности шариков к плотности диэлектрика ($\frac{{\rho }_{sh}}{{\rho }_d}$)=b.

Решение:

Рис. 2 и 3

Запишем условие равновесия шарика (одного, так как система симметрична) в воздухе:

\[\overrightarrow{F_{e1}}+\overrightarrow{mg}+\overrightarrow{N_1}=0\ \left(2.1\right).\]

Запишем условие равновесия шарика (одного) в жидкости:

\[\overrightarrow{F_{e2}}+\overrightarrow{mg}+\overrightarrow{N_2}+\overrightarrow{F_A}=0\ \left(2.{2\ \ }}}{mg-{\rho }_d\frac{m}{{\rho }_{sh}}g\ }\to \frac{\frac{1}{{\varepsilon }_1}}{1}=\frac{\frac{1}{{\varepsilon }_2}}{1-\frac{{\rho }_d}{{\rho }_{sh}}\ }\to \frac{{\varepsilon }_2}{{\varepsilon }_1}=\frac{1}{1-\frac{{\rho }_d}{{\rho }_{sh}}}=\frac{1}{1-b}.\]

Ответ: Диэлектрическая проницаемость жидкости должна быть $\frac{{\varepsilon }_2}{е_1}=\frac{1}{1-b}$.

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.

Проводник (физика)

                                     

ⓘ Проводник (физика)

Проводник — вещество, среда, материал, хорошо проводящие электрический ток.

В проводнике имеется большое число свободных носителей заряда, то есть заряженных частиц, которые могут свободно перемещаться внутри объёма проводника и под действием приложенного к проводнику электрического напряжения создают ток проводимости. Благодаря большому числу свободных носителей заряда и их высокой подвижности значение удельной электропроводности проводников велико.

С точки зрения электродинамики проводник — среда с большим на рассматриваемой частоте значением тангенса угла диэлектрических потерь tgδ > > 1, в такой среде сила тока проводимости много больше силы тока смещения. При этом под идеальным проводником сверхпроводником понимают среду с бесконечно большим значением tgδ, прочие проводники называют реальными или проводниками с потерями.

Проводниками называют также части электрических цепей — соединительные провода, металлические шины и др.

Среди наиболее распространённых твёрдых проводников известны металлы, полуметаллы, углерод в виде угля и графита. Пример проводящих жидкостей при нормальных условиях — ртуть, электролиты, при высоких температурах — расплавы металлов. Пример проводящих газов — ионизированный газ плазма. Некоторые вещества, при нормальных условиях являющиеся изоляторами, при внешних воздействиях могут переходить в проводящее состояние, а именно проводимость полупроводников может сильно варьироваться при изменении температуры, освещённости, легировании и т. п.

Микроскопическое описание проводников связано с электронной теорией металлов. Наиболее простая модель описания проводимости известна с начала прошлого века и была развита Друде.

Проводники, в которых преобладает электронная проводимость, обусловленная движением электронов, относят к проводникам первого рода. К проводникам второго рода относят проводники с ионной проводимостью электролиты.

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

1. Проводники в электрическом поле

Напомним, что заряженные частицы, которые могут перемещаться в веществе, называют свободными зарядами.

Если поместить проводник в электрическое поле, то находящиеся в нем свободные заряды придут в движение и в проводнике возникнет направленное движение зарядов, то есть электрический ток. Проводники потому так и называются, что они проводят электрический ток.

Лучшие проводники – металлы. Свободными зарядами в металлах являются свободные электроны. Поскольку электроны имеют отрицательный электрический заряд, действующая на них со стороны электрического поля сила направлена противоположно напряженности электрического поля.

За направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов. Поэтому в металлах направление электрического тока противоположно направлению движения свободных зарядов – электронов (рис. 52.1).

Внесем, например, металлический шар в однородное электрическое поле (рис. 52.2).

? 1. В каком направлении будут двигаться при этом свободные электроны? Каким будет направление кратковременного электрического тока?

В результате на одной стороне шара появится избыток электронов, то есть возникнет отрицательный заряд, а на другой его стороне – недостаток электронов, то есть возникнет положительный заряд (рис. 52.3).

? 2. Объясните, почему поле, созданное этими зарядами внутри проводника, направлено противоположно внешнему полю.

Свободные электроны будут двигаться до тех пор, пока на них будет действовать сила со стороны электрического поля.

? 3. Объясните, почему равновесие зарядов в проводнике возможно только при условии, что напряженность электрического поля внутри проводника равна нулю (см. рис. 52.3).

Перераспределение зарядов в проводнике, в результате которого напряженность электрического поля внутри проводника обращается в нуль, называют электростатической индукцией.

При равновесии зарядов напряженность электрического поля внутри проводника равна нулю:

= 0.

Вследствие принципа суперпозиции полей перераспределение зарядов в проводнике изменяет и поле вне проводника. В результате линии напряженности поля вне проводника деформируются.

? 4. Объясните, почему вблизи поверхности проводника линии напряженности электрического поля перпендикулярны поверхности проводника (см. рис. 52.3).
Подсказка. Когда заряды в проводнике находятся в равновесии, на них не действует сила, направленная вдоль поверхности проводника (иначе заряды двигались бы вдоль поверхности проводника).

При равновесии электрических зарядов в проводнике они расположены всегда на поверхности проводника. Причем это справедливо как для незаряженного, так и для заряженного проводника.

Электростатическая защита

При равновесии зарядов напряженность электрического поля равна нулю не только в сплошном изолированном проводнике, но и внутри полого проводника. По этой причине, например, напряженность поля внутри однородно заряженной сферы равна нулю (если внутри сферы нет заряженных тел).

Это свойство проводников в электрическом поле используют для сования электростатической защиты: например, чувствительные к электрическому полю приборы заключат в металлические ящики. Причем я этого не обязательно даже, чтобы стенки ящиков были сплошными: достаточно использовать металлическую сетку, которую называют иногда «сеткой Фарадея» (рис. 52.4).

Электростатическую защиту используют также, чтобы защитить людей, работающих в сильном электрическом поле: в таком случае металлической сеткой окружают пространство, в котором работают люди.

2. Диэлектрики в электрическом поле

Как вы уже знаете, в диэлектриках нет свободных зарядов. Однако это не значит, что в них вообще нет заряженных частиц: ведь в атомах и молекулах диэлектриков, как и любых других веществ, есть положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны.

В диэлектриках все электроны сильно связаны со своими атомами, поэтому их называют «связанными электронами». Но под действием внешнего электрического поля молекулы диэлектриков поворачиваются или изменяют форму (деформируются).

Рассмотрим подробнее, как это происходит в диэлектриках разного вида.

Полярные диэлектрики. В молекулах некоторых веществ центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

Например, в молекуле воды, состоящей из одного атома кислорода и двух атомов водорода, электроны атомов водорода большую часть времени проводят вблизи атома кислорода, в результате чего возле атома кислорода образуется отрицательный полюс, а возле атомов водорода – положительный полюс.

Такие диэлектрики называют полярными, потому что у молекул этих диэлектриков есть два полюса зарядов – положительный и отрицательный (рис. 52.5, а).

Под действием электрического поля молекулы полярных диэлектриков поворачиваются (рис. 52.5, б) и ориентируются вдоль линий напряженности поля (рис. 52.5, в).

Неполярные диэлектрики. Диэлектрики, в молекулах которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают, называют неполярными (рис. 52.6, а). К ним относятся, например, многие газы.

Под действием внешнего электрического поля положительные и отрицательные заряды в молекуле «растаскиваются» в противоположные стороны. В результате центры распределения положительных и отрицательных зарядов перестают совпадать (рис. 52.6, б).

Деформированная молекула с точи зрения распределения зарядов становится подобной полярной молекуле, ориентированной вдоль линий напряженности поля.

Поляризация диэлектриков

Итак, под действием внешнего электрического поля молекулы как полярных, так и неполярных диэлектриков выстраиваются по направлению напряженности внешнего электрического поля.

Это явление называют поляризацией диэлектрика.
В результате поляризации диэлектрика на его поверхности появляются заряды. Как мы уже говорили, эти заряды называют связанными, потому что они обусловлены смещением заряда только внутри молекул (а не во всем образце, как это происходит при движении свободных зарядов в проводнике).

На рисунке 52.7 схематически показано, как в результате поляризации диэлектрика на его поверхности появляются связанные заряды.

Мы видим, что положительные и отрицательные заряды, образовавшиеся вследствие поляризации, внутри диэлектрика компенсируют друг друга. А на поверхности диэлектрика такой компенсации нет: поэтому и возникают поверхностные заряды.

Рассмотрим теперь, как изменяется напряженность электрического поля при внесении в него диэлектрика вследствие появления связанных зарядов.

Заметим, что напряженность поля _поляр, созданного связанными зарядами, направлена противоположно напряженности _внеш внешнего электрического поля (см. рис. 52.7).

Поэтому согласно принципу суперпозиции поле, созданное связанными зарядами, уменьшает напряженность поля внутри диэлектрика (однако не до нуля, как в случае проводника).

Таким образом,

вследствие поляризации диэлектрика напряженность электрического поля внутри диэлектрика уменьшается.

Благодаря поляризации незаряженные диэлектрики притягиваются к заряженному телу независимо от знака его заряда.

Дело в том, что электрическое поле вокруг заряженных тел неоднородно: чем ближе к заряженному телу, тем больше напряженность поля.

Когда незаряженный диэлектрик вносят в электрическое поле, на его поверхности появляются связанные заряды противоположных знаков. В результате на разные части диэлектрика со стороны поля действуют противоположно направленные силы (рис. 52.8). И в неоднородном поле «побеждает» та сила, которая действует на заряды, находящиеся в более сильном поле, то есть находящиеся ближе к заряженному телу. Поэтому незаряженное тело притягивается к заряженному.

Теперь становится понятным, почему электрическое отталкивание заметили только через две тысячи лет после того, как обнаружили электрическое притяжение.

Ведь чтобы тела притягивались, достаточно, чтобы заряжено было только одно из них, причем зарядом любого знака. А отталкиваются тела лишь тогда, когда они оба заряжены, причем обязательно одноименно.

? 5. В описанном в предыдущем параграфе опыте по визуализации линий напряженности было использовано то, что состоящие из диэлектрика продолговатые тела ориентируются в электрическом поле вдоль линий напряженности. Объясните, почему это происходит.

Диэлектрическая проницаемость

Величину, которая показывает, во сколько раз уменьшатся напряженность внешнего электрического поля внутри однородного диэлектрика, называют его диэлектрической проницаемостью и обозначают ε.

Значения диэлектрической проницаемости для разных веществ могут очень сильно различаться.

Например, для воздуха ε = 1,0006, то есть очень мало отличается от единицы. Очень близка к единице и диэлектрическая проницаемость других газов. Обусловлено это главным образом малой концентрацией молекул в газах.

Значение диэлектрической проницаемости большинства жидкостей и твердых тел – от нескольких единиц до нескольких десятков. Сравнительно велика диэлектрическая проницаемость воды: ε = 81.

Но есть вещества (сегнетоэлектрики), у которых диэлектрическая проницаемость достигает десятков и сотен тысяч.

? 6. Металлическому шару радиусом 10 см сообщили положительный заряд 20 нКл и после этого поместили в большой сосуд с водой.
а) Сделайте в тетради схематический рисунок, на котором изобразите заряд шара и связанные заряды, возникшие вследствие поляризации воды.
б) Чему будет равна напряженность электрического поля на расстоянии от центра шара, равном 5 см? 15 см? 25 см?

Уменьшение силы взаимодействия заряженных тел, погруженных в диэлектрик. Поскольку взаимодействие заряженных тел осуществляется посредством электрического поля, а поле в диэлектрике уменьшается в ε раз, то в ε раз уменьшается и сила взаимодействия заряженных тел, полностью погруженных в однородный диэлектрик. Например, для очечных зарядов, находящихся в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε, закон Кулона принимает вид

? 7. Чему равна диэлектрическая проницаемость жидкости, если погруженные в нее небольшие шарики с зарядом 30 нКл каждый взаимодействуют с силой 7,8 мкН? Расстояние между шариками равно 20 см.

Увеличение силы взаимодействия заряженных тел, между которыми помещен диэлектрик. Если расположить диэлектрик между заряженными телами, то силы, действующие на каждое заряженное тело, увеличатся.

? 8. Объясните, почему это происходит.
Подсказка. Воспользуйтесь рисунком 52.9.

Дополнительные вопросы и задания

9. Два одинаковых заряженных шарика подвешены на нитях равной длины в одной точке, При этом нити отклонены от вертикали на некоторый угол. Когда всю эту систему погрузили в жидкий диэлектрик, угол отклонения нитей не изменился.
а) Изобразите на чертеже все силы, действующие на один из шариков до погружения в диэлектрик и после этого.
б) Во сколько раз плотность шариков больше плотности диэлектрика, если его диэлектрическая проницаемость равна 3?

10. Как изменится сила взаимодействия двух заряженных тел, если поместить между ними незаряженный проводник, который не касается этих тел?

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 в неметаллических твердых телах заряды не могут легко перемещаться, в стекле, керамике и пластике могут быть «островки» заряда. 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 обозначает дорогу с по ). Человек, с которым вы путешествуете и 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 для обозначения меры — 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 предотвращения их замыкания на землю, являются изоляторами. Практически всегда, когда неметаллическое твердое тело используется в электрическом устройстве, оно называется изолятором. Возможно, 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, увеличить емкость;
2. для увеличения эффективной емкости за счет уменьшения напряженности электрического поля, что означает, что вы получаете тот же заряд при более низком напряжении; и
3. для уменьшения возможности короткого замыкания из-за искрения (более известного как пробой диэлектрика) во время работы при высоком напряжении.

что здесь происходит

Когда металл помещают в электрическое 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 заряжена отрицательно, а другая — положительно. 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 по всему телу; 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 своей прихоти.

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, насколько это возможно, почти 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. боковая сторона. Этот процесс известен как поляризация , а диэлектрический материал в таком состоянии называется поляризованным . 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 , вращаются. 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 ничем не примечательным 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. В общем, 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 в изоляторе 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 кто-то, кажется, заботится об этом явлении, заключается в том, что он помогает нам создавать лучшие конденсаторы.Я думаю, что на этом обсуждение должно быть завершено.

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 с положительных зарядов и заканчиваются отрицательными зарядами, 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. 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, равной кулоновому метру , у которого нет 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 такое значение, просто примите то, что она существует и является функцией некоторых переменных. И что это за переменные? Конечно, зачем они нужны, и почему они такие материалы 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. Могу поспорить, что есть даже какие-то 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 тренировки 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		диоксид кремния	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

Любой 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 (апатит), 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 усиленному росту «. Physics of the Body (255).

Микрофоны и принцип их работы

тип	звуков производят изменений в…	, что вызывает изменений в…	, в результате чего изменений…
углерод	Плотность гранул	сопротивление	напряжение
конденсатор	разделительная пластина	емкость	напряжение
динамический	Расположение катушки	флюс	напряжение
пьезоэлектрический	компрессия	поляризация	напряжение

Практические проблемы: решения для конденсаторов и диэлектриков

Практические проблемы: решения для конденсаторов и диэлектриков

1.(легко) Конденсатор с параллельными пластинами заполнен изоляционным материалом с диэлектрической проницаемостью 2,6. Расстояние между пластинами конденсатора 0,0002 м. Найдите площадь пластины, если новая емкость (после введения диэлектрика) составляет 3,4 мкФ.
C = kε _o A / d
3,4×10 ^-6 = 2,6 (8,85×10 ^-12 ) A / 0,0002
A = 29,6 м ²

2. (легко) Если конденсатор с параллельными пластинами (заполненный изолятором) одновременно претерпит следующие изменения, как будет влиять на емкость?
k удваивается
разделительных половин
четверных площадей пластины
C ₁ = kε _o A / d
C ₂ = 2kε _o (4A) / (d / 2)
C ₂ = 16 К ₁

3.(средний) Конденсатор с квадратными параллельными пластинами (длина каждой стороны = x) с расстоянием между пластинами d и конденсатор с круглыми параллельными пластинами (диаметр = x и расстояние между пластинами) оба заполнены одним и тем же диэлектрическим материалом (k = 3,8). Какой из конденсаторов имеет большую емкость? Поясните свой ответ. Учитывая, что длина квадратных пластин составляет 1,65 м, определите k для диэлектрика, который должен быть вставлен в кольцевой конденсатор, чтобы получить одинаковую емкость для каждого конденсатора.
Емкость C = kε 90 · 106 o 90 · 107 А / сут.Если все параметры одинаковы, за исключением площади, то конденсатор с большей площадью будет иметь большую емкость. Квадратные пластины имеют площадь x ² , а круглые пластины имеют площадь = π (x / 2) ² = 0,79x ² . Таким образом, квадратный конденсатор имеет большую емкость.
В случае одинаковой емкости:
к _sq ε _o x ² / d = k _circ ε _o π (x / 2) ² / d
3,8 = k _circ (3.14/4)
k _circ = 4.8

4. (умеренный) Во время грозы разность потенциалов между облаком и землей может быть чрезвычайно высокой. Если эта разница составляет 1,5×10 ⁹ v (земля относительно облака) и -19 C заряда (через движение электронов) передается от облака к земле во время удара молнии, определите следующее:
a. Сколько работы выполняет электронное поле?
Вт = -ΔU = -qΔV = — (- 19) (1,5×10 ⁹ ) = 2,85×10 ¹⁰ Дж
б.Если эта работа выполнялась на грузовике массой 10000 кг, найдите скорость, которой может достичь грузовик, если он тронется с места.
W = ΔK = K ₂ — K ₁
2,85×10 ¹⁰ = ½ (2000) v ² — 0
v = 2387 м / с
Это показывает, насколько мощной может быть молния и почему так опасно.

5. (умеренная) Конденсатор полностью заряжается аккумулятором, а затем отключается. Затем в конденсатор вставляется изолятор. Объясните, как изменится каждое из следующего.
а. Емкость
. Введение диэлектрика всегда увеличивает емкость.
г. Напряжение
Напряжение будет уменьшаться из-за работы, выполняемой E-полем над молекулами в диэлектрическом материале. Энергия будет использована для перестройки молекул. Изменение потенциальной энергии, запасенной в конденсаторе (в данном случае потеря), пропорционально изменению электрического потенциала на конденсаторе.
г. E-field
Величина E-поля будет уменьшаться по мере того, как она связана с напряжением.
г. Заряд на поверхности изолятора
Поверхностный заряд мог бы появиться на изоляторе из-за перегруппировки молекул под действием электрического поля. Поскольку перед введением поверхностного заряда нет, это увеличение.
e. Заряд на пластинах
Заряд на пластинах останется прежним. Но напряжение на диэлектрике будет меньше, чем напряжение на конденсаторе до введения диэлектрика. Это связано с тем, что поляризованный диэлектрик смягчает влияние заряженных пластин, так что электрическое поле ослабляется.

6. (легко) Посмотрите видео ниже. Расстояние между электродами 2,6 см. Если электрическая прочность сухого воздуха между электродами составляет 3×10 ⁶ В / м, каково напряжение на электродах при первом образовании дуги?
Диэлектрическая прочность представляет собой максимальное электрическое поле, которое может существовать между электродами до пробоя. Предположим, что в пространстве между электродами имеется достаточно однородное поле, чтобы произвести следующий расчет (только величина):
E = V / d
3×10 ⁶ = V / (0.026)
В = 78000 В

18,5 Конденсаторы и диэлектрики — Физика

Конденсаторы

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Объясните, что электрические конденсаторы являются жизненно важными частями всех электрических цепей. Фактически, все электрические устройства имеют емкость, даже если конденсатор явно не вставлен в устройство.

[BL] Предложите учащимся определить, как слово вместимость используется в повседневной жизни.Попросите их найти определение в словаре. Сравните и сопоставьте повседневное значение со значением термина в физике.

[OL] Спросите студентов, слышали ли они слово конденсатор , используемое в связи с электричеством, например, на электростанциях или в электрических цепях. Попросите их описать, как используется это слово.

[AL] Обсудите, как пружина может накапливать механическую энергию. Обсудите, какие свойства пружины увеличивают ее способность накапливать энергию.Обратите внимание на то, что эти свойства присущи пружине.

Снова рассмотрим рентгеновскую трубку, описанную в предыдущем примере задачи. Как создать однородное электрическое поле? Один положительный заряд создает электрическое поле, направленное от него, как показано на рисунке 18.17. Это поле неоднородно, потому что расстояние между линиями увеличивается по мере удаления от заряда. Однако, если мы объединим положительный и отрицательный заряды, мы получим электрическое поле, показанное на рисунке 18.19 (а). Обратите внимание, что между зарядами силовые линии электрического поля расположены более равномерно.

Что произойдет, если мы разместим, скажем, пять положительных зарядов в линию напротив пяти отрицательных зарядов, как на рис. 18.27? Теперь область между линиями заряда содержит довольно однородное электрическое поле.

Рисунок 18.27 Красные точки — это положительные заряды, а синие точки — отрицательные заряды. Направление электрического поля показано красными стрелками. Обратите внимание, что электрическое поле между положительными и отрицательными точками довольно однородно.

Мы можем расширить эту идею еще дальше и до двух измерений, поместив две металлические пластины лицом к лицу и заряжая одну положительным зарядом, а другую равной величиной отрицательного заряда. Это можно сделать, подключив одну пластину к положительной клемме аккумулятора, а другую пластину — к отрицательной клемме, как показано на рисунке 18.28. Электрическое поле между этими заряженными пластинами будет чрезвычайно однородным.

Рис. 18.28 Две параллельные металлические пластины заряжаются противоположным зарядом путем подключения пластин к противоположным клеммам батареи.Величина заряда на каждой пластине одинакова.

Давайте подумаем о работе, необходимой для зарядки этих пластин. Перед подключением пластин к батарее они являются нейтральными, то есть имеют нулевой общий заряд. Размещение первого положительного заряда на левой пластине и первого отрицательного заряда на правой пластине требует очень мало работы, потому что пластины нейтральны, поэтому нет противоположных зарядов. Теперь рассмотрите возможность размещения второго положительного заряда на левой пластине и второго отрицательного заряда на правой пластине.Поскольку первые два заряда отталкивают вновь прибывших, необходимо приложить силу к двум новым зарядам на некотором расстоянии, чтобы положить их на пластины. Это определение работы, которое означает, что по сравнению с первой парой требуется больше работы, чтобы положить вторую пару зарядов на пластины. Чтобы разместить на пластинах третий положительный и отрицательный заряды, требуется еще больше работы и так далее. Откуда взялась эта работа? Батарея! Его химическая потенциальная энергия преобразуется в работу, необходимую для разделения положительных и отрицательных зарядов.

Несмотря на то, что аккумулятор работает, эта работа выполняется в системе аккумуляторных пластин. Следовательно, сохранение энергии говорит нам, что, если потенциальная энергия батареи уменьшается на отдельные заряды, энергия другой части системы должна увеличиваться на такую ​​же величину. Фактически, энергия аккумулятора сохраняется в электрическом поле между пластинами. Эта идея аналогична рассмотрению того, что потенциальная энергия поднятого молота хранится в гравитационном поле Земли.Если бы гравитационное поле исчезло, у молота не было бы потенциальной энергии. Точно так же, если бы между пластинами не существовало электрического поля, между ними не было бы накопления энергии.

Если теперь отсоединить пластины от аккумулятора, они будут удерживать энергию. Мы могли бы подключить пластины, например, к лампочке, и лампочка загорится, пока эта энергия не будет израсходована. Таким образом, эти пластины обладают способностью накапливать энергию. По этой причине такое устройство называется конденсатором.Конденсатор — это набор объектов, которые в силу своей геометрии могут накапливать энергию в виде электрического поля.

Различные реальные конденсаторы показаны на рисунке 18.29. Обычно их делают из токопроводящих пластин или листов, разделенных изоляционным материалом. Они могут быть плоскими, свернутыми или иметь другую геометрию.

Рисунок 18.29 Некоторые типичные конденсаторы. (Источник: Windell Oskay)

Емкость конденсатора определяется его емкостью C , которая определяется как

, где Q — это величина заряда на каждой пластине конденсатора, а В, — разность потенциалов при переходе от отрицательной пластины к положительной.Это означает, что и Q , и V всегда положительны, поэтому емкость всегда положительна. Из уравнения для емкости видно, что единицами измерения емкости являются C / V, которые называются фарадами (F) в честь английского физика девятнадцатого века Майкла Фарадея.

Уравнение C = Q / VC = Q / V имеет смысл: конденсатор с параллельными пластинами (например, показанный на рисунке 18.28) размером с футбольное поле может удерживать большой заряд, не требуя слишком большой работы на единицу заряда для протолкните заряд в конденсатор.Таким образом, Q будет большим, а V будет маленьким, поэтому емкость C будет очень большой. Сжатие того же заряда в конденсаторе размером с ноготь потребует гораздо больше работы, поэтому В, будет очень большим, а емкость будет намного меньше.

Хотя уравнение C = Q / VC = Q / V создает впечатление, что емкость зависит от напряжения, на самом деле это не так. Для данного конденсатора отношение заряда, накопленного в конденсаторе, к разнице напряжений между пластинами конденсатора всегда остается неизменным.Емкость определяется геометрией конденсатора и материалами, из которых он изготовлен. Для конденсатора с параллельными пластинами, между пластинами которого ничего нет, емкость равна

.

, где A, — площадь пластин конденсатора, а d — их расстояние. Мы используем C0C0 вместо C , потому что между пластинами конденсатора ничего нет (в следующем разделе мы увидим, что происходит, когда это не так). Константа ε0, ε0, прочитанная эпсилон-ноль , называется диэлектрической проницаемостью свободного пространства, и ее значение составляет

. ε0 = 8.85 × 10–12 Ф / мε0 = 8,85 × 10–12 Ф / м

18,37

Возвращаясь к энергии, хранящейся в конденсаторе, мы можем спросить, сколько именно энергии хранит конденсатор. Если конденсатор заряжается, подавая на него напряжение В , например, подключая его к батарее с напряжением В, — электрическая потенциальная энергия, запасенная в конденсаторе, составляет

.

Обратите внимание, что форма этого уравнения аналогична форме для кинетической энергии, K = 12mv2K = 12mv2.

Watch Physics

Откуда берется емкость?

В этом видео показано, как определяется емкость и почему она зависит только от геометрических свойств конденсатора, а не от напряжения или накопленного заряда.При этом он дает хороший обзор концепций работы и электрического потенциала.

Проверка захвата

Если увеличить расстояние между пластинами конденсатора, как изменится емкость?

1. Увеличение расстояния между пластинами конденсатора вдвое уменьшит емкость в четыре раза.
2. Увеличение расстояния между пластинами конденсатора вдвое уменьшит емкость в два раза.
3. Удвоение расстояния между пластинами конденсатора увеличивает емкость в два раза.
4. Удвоение расстояния между пластинами конденсатора увеличивает емкость в четыре раза.

Virtual Physics

Зарядка конденсатора

В этом моделировании вам представлен конденсатор с параллельными пластинами, подключенный к батарее переменного напряжения. Батарея изначально имеет нулевое напряжение, поэтому конденсатор не заряжается. Сдвиньте ползунок батареи вверх и вниз, чтобы изменить напряжение батареи, и наблюдайте за зарядами, которые накапливаются на пластинах. Отображение емкости, заряда верхней пластины и накопленной энергии при изменении напряжения батареи.Вы также можете отобразить линии электрического поля в конденсаторе. Наконец, измерьте напряжение между различными точками этой цепи с помощью вольтметра.

Проверка захвата

Верно или неверно. В конденсаторе накопленная энергия всегда положительна, независимо от того, заряжена ли верхняя пластина отрицательным или положительным зарядом.

1. ложный
2. правда

Рабочий пример

Емкость и заряд, накопленный в параллельном пластинчатом конденсаторе

(a) Какова емкость конденсатора с параллельными пластинами с металлическими пластинами, каждая из которых имеет площадь 1.00 м ² , расстояние между которыми составляет 0,0010 м? (б) Какой заряд сохраняется в этом конденсаторе, если к нему приложено напряжение 3,00 × 10 ³ В?

Стратегия FOR (A)

Используйте уравнение C0 = ε0AdC0 = ε0Ad.

Решение для (a)

Ввод данных значений в это уравнение для емкости конденсатора с параллельными пластинами дает

C = ε0Ad = (8,85 × 10–12 Ф / м) 1,00 м 20,00 10 м = 8,9 × 10–9 F = 8,9 нФ.C = ε0Ad = (8,85 × 10–12 Ф / м) 1,00 м 20,0010 м = 8,9 × 10−9 F = 8.9нФ.

18,39

Обсуждение для (а)

Это небольшое значение емкости указывает на то, насколько сложно сделать устройство с большой емкостью. Помогают специальные методы, такие как использование тонких фольг с очень большой площадью, расположенных близко друг к другу, или использование диэлектрика (будет обсуждено ниже).

Стратегия FOR (B)

Зная C , найдите накопленный заряд, решив уравнение C = Q / VC = Q / V для заряда Q .

Решение для (b)

Заряд Q на конденсаторе

Q = CV = (8.9 × 10–9F) (3,00 × 103V) ​​= 2,7 × 10–5C. Q = CV = (8,9 × 10–9F) (3,00 × 103V) ​​= 2,7 × 10–5C.

18,40

Обсуждение для (б)

Этот заряд лишь немного больше, чем типичный заряд статического электричества. Больше заряда можно было сохранить, используя диэлектрик между пластинами конденсатора.

Рабочий пример

Какая батарея нужна для зарядки конденсатора?

Ваш друг предоставил вам конденсатор 10 мкФ10 мкФ. Аккумулятор какого напряжения следует покупать для хранения 120 мкКл120 мкКл на этом конденсаторе?

Стратегия

Используйте уравнение C = Q / VC = Q / V, чтобы найти напряжение, необходимое для зарядки конденсатора.

Решение

Решение C = Q / VC = Q / V для напряжения дает V = Q / CV = Q / C. Вставка C = 10 мкФ = 10 × 10–6FC = 10 мкФ = 10 × 10–6F и Q = 120 мкКл = 120 × 10–6CQ = 120 мкКл = 120 × 10–6 ° C дает

V = QC = 120 × 10–6C10 × 10– 6F = 12В = QC = 120 × 10−6C10 × 10−6F = 12В

18,41

Обсуждение

Такую батарею должно быть легко достать. Остается вопрос, достаточно ли в аккумуляторе энергии для обеспечения желаемого заряда. Уравнение UE = 12CV2UE = 12CV2 позволяет нам рассчитать требуемую энергию.

UE = 12CV2 = 12 (10 × 10-6F) (12В) 2 = 72мJUE = 12CV2 = 12 (10 × 10-6F) (12В) 2 = 72мДж

18,42

Обычный коммерческий аккумулятор может легко обеспечить такое количество энергии.

Диэлектрики

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Объясните, что диэлектрик — это сокращение от диэлектрического материала , который имеет определенные электрические свойства, которые будут обсуждаться в этом разделе. Слово диэлектрик используется для обозначения способности материала накапливать энергию.Напомните учащимся, что изолятор используется для обозначения способности материала предотвращать прохождение электрического заряда.

[BL] [OL] Обратите внимание на то, что префикс di означает два или двойной. В сочетании со словом electric это означает, что диэлектрик может иметь два электрических заряда.

[AL] Спросите студентов, знают ли они другие слова, которые используют префикс di в науке (двухатомный, двуокись углерода, диполь,…).

Перед тем, как разобраться с некоторыми примерами проблем, давайте посмотрим, что произойдет, если мы поместим изоляционный материал между пластинами конденсатора, который был заряжен, а затем отключен от заряжающей батареи, как показано на рисунке 18.30. Поскольку материал является изолирующим, заряд не может перемещаться через него от одной пластины к другой, поэтому заряд Q на конденсаторе не изменяется. Между пластинами заряженного конденсатора существует электрическое поле, поэтому изолирующий материал становится поляризованным, как показано в нижней части рисунка. Электроизоляционный материал, который становится поляризованным в электрическом поле, называется диэлектриком.

На рис. 18.30 показано, что отрицательный заряд в молекулах материала смещается влево, в сторону положительного заряда конденсатора.Этот сдвиг происходит из-за электрического поля, которое прикладывает силу влево к электронам в молекулах диэлектрика. У правых сторон молекул теперь отсутствует немного отрицательного заряда, поэтому их суммарный заряд положительный.

Рисунок 18.30 Верхний и нижний конденсаторы несут одинаковый заряд Q . Между пластинами верхнего конденсатора нет диэлектрика. Между пластинами нижнего конденсатора установлен диэлектрик. Молекулы в диэлектрике поляризованы электрическим полем конденсатора.

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Укажите положительный и отрицательный поверхностный заряд на каждой стороне диэлектрика. Обсудите со студентами, что линии электрического поля нарисованы так, что они касаются поверхностных зарядов, потому что линии электрического поля всегда начинаются или заканчиваются на заряде. Таким образом, меньшее количество линий электрического поля будет проходить через диэлектрик, а это означает, что электрическое поле внутри диэлектрика слабее.

Все электроизоляционные материалы являются диэлектриками, но некоторые из них лучше, чем другие .Хороший диэлектрик — это такой диэлектрик, молекулы которого позволяют своим электронам сильно смещаться в электрическом поле. Другими словами, электрическое поле отталкивает их электроны от атома, но они не выходят полностью из атома (вот почему они являются изоляторами).

На рисунке 18.31 показан макроскопический вид диэлектрика в заряженном конденсаторе. Обратите внимание, что линии электрического поля в конденсаторе с диэлектриком расположены дальше друг от друга, чем линии электрического поля в конденсаторе без диэлектрика.Это означает, что электрическое поле в диэлектрике слабее, поэтому он хранит меньше электрической потенциальной энергии, чем электрическое поле в конденсаторе без диэлектрика.

Куда ушла эта энергия? Фактически, молекулы в диэлектрике действуют как крошечные пружины, и энергия электрического поля уходит на растяжение этих пружин. При таком ослаблении электрического поля разница напряжений между двумя сторонами конденсатора становится меньше, поэтому становится легче наложить больший заряд на конденсатор.Таким образом, размещение диэлектрика в конденсаторе перед его зарядкой позволяет хранить в конденсаторе больше заряда и потенциальной энергии. Параллельная пластина с диэлектриком имеет емкость

. C = κε0Ad = κC0, C = κε0Ad = κC0,

18,43

где κκ ( каппа ) — безразмерная постоянная, называемая диэлектрической постоянной . Поскольку для диэлектриков κκ больше 1, емкость увеличивается, когда диэлектрик помещается между пластинами конденсатора. Диэлектрическая проницаемость некоторых материалов показана в Таблице 18.1.

Материал	Диэлектрическая проницаемость (κκ)
Вакуум	1,00000
Воздух	1.00059
Плавленый кварц	3,78
Неопреновый каучук	6,7
Нейлон	3,4
Бумага	3,7
Полистирол	2,56
Стекло Pyrex	5.6
Кремниевое масло	2,5
Титанат стронция	233
тефлон	2,1
Вода	80

Таблица 18.1 Диэлектрическая проницаемость для различных материалов при 20 ° C

Рис. 18.31 Верхний и нижний конденсаторы несут одинаковый заряд Q. Между пластинами верхнего конденсатора нет диэлектрика. Между пластинами нижнего конденсатора установлен диэлектрик.Поскольку некоторые силовые линии электрического поля заканчиваются и начинаются на поляризационных зарядах в диэлектрике, электрическое поле в конденсаторе менее сильное. Таким образом, при одинаковом заряде конденсатор накапливает меньше энергии, когда он содержит диэлектрик.

Teacher Support

Teacher Support

Подчеркните, что линии электрического поля в диэлектрике менее плотные, чем в конденсаторе без диэлектрика, что показывает, что электрическое поле в диэлектрике слабее.

Рабочий пример

Конденсатор для вспышки камеры

Типичная вспышка для фотоаппарата «наведи и снимай» использует конденсатор емкостью около 200 мкФ и 200 мкФ.(а) Если разность потенциалов между пластинами конденсатора составляет 100 В, то есть 100 В подается «поперек конденсатора», сколько энергии хранится в конденсаторе? (b) Если бы диэлектрик, используемый в конденсаторе, представлял собой лист нейлона толщиной 0,010 мм, какой была бы площадь поверхности пластин конденсатора?

Стратегия FOR (A)

Учитывая, что V = 100VV = 100V и C = 200 × 10−6FC = 200 × 10−6F, мы можем использовать уравнение UE = 12CV2UE = 12CV2, чтобы найти электрическую потенциальную энергию, хранящуюся в конденсаторе.

Решение для (a)

Вставка заданных величин в UE = 12CV2UE = 12CV2 дает

UE = 12CV2 = 12 (200 × 10−6F) (100V) 2 = 1.0J .UE = 12CV2 = 12 (200 × 10−6F) (100V) 2 = 1.0J.

18,44

Обсуждение для (а)

Этой энергии достаточно, чтобы поднять 1-килограммовый мяч на высоту примерно 1 м от земли. Вспышка длится около 0,001 с, поэтому мощность, отдаваемая конденсатором за это короткое время, составляет P = UEt = 1,0J0,001s = 1kWP = UEt = 1,0J0,001s = 1 кВт. Учитывая, что автомобильный двигатель выдает мощность около 100 кВт, для небольшого конденсатора это неплохо!

Стратегия FOR (B)

Поскольку пластины конденсатора контактируют с диэлектриком, мы знаем, что расстояние между пластинами конденсатора d = 0.010 мм = 1,0 × 10-5 мд = 0,010 мм = 1,0 × 10-5 м. Из предыдущей таблицы диэлектрическая проницаемость нейлона равна κ = 3,4κ = 3,4. Теперь мы можем использовать уравнение C = κε0AdC = κε0Ad, чтобы найти площадь A конденсатора.

Решение (b)

Решение уравнения для области A и вставка известных величин дает

C = κε0AdA = Cdκε0 = (200 × 10−6F) (1.0 × 10−5m) (3.4) (8.85 × 10−12 F / m) = 66m2.C = κε0AdA = Cdκε0 = (200 × 10−6F) ( 1,0 × 10–5 м) (3,4) (8,85 × 10–12 Ф / м) = 66 м2.

18.45

Обсуждение для (б)

Это слишком большая область, чтобы ее можно было свернуть в конденсатор, достаточно маленький, чтобы поместиться в портативную камеру. Вот почему в этих конденсаторах используются не простые диэлектрики, а более совершенная технология для получения высокой емкости.

Важные короткие вопросы и ответы: диэлектрические материалы

КОРОТКИЕ ВОПРОСЫ С ОТВЕТАМИ

1. Что такое диэлектрический материал? Заявить о своих имущество.

Диэлектрики — это изоляционные материалы, имеющие электрический дипольный момент постоянно или временно путем приложения электрического поле. Они в основном используются для хранения электрической энергии и используются как электрические. изоляторы. Все диэлектрики — это изоляторы. Но все электрические изоляторы не обязательно должны быть диэлектриками. Диэлектрики — неметаллические материалы высокое удельное сопротивление и отрицательный температурный коэффициент сопротивление.

2. Определите плотность электрического потока (D) или электрическую Вектор смещения.

Количество проходящих линий электропередачи единичная площадь поперечного сечения.

Единица: Кулон / м²

3. Определить разрешающую способность

Это отношение вектора электрического смещения в диэлектрической среде к напряженности приложенного электрического поля.ε = D / E

4. Определите диэлектрическую проницаемость или относительную Разрешающая способность

Это отношение диэлектрической проницаемости среды к диэлектрической проницаемости свободного пространства.

5. Определите дипольный момент

Диполь момент определяется как произведение заряда и расстояния.

Единица: Кулоновский счетчик.

6. Определите поляризацию, вектор поляризации и Поляризуемость

Поляризация

Расставание отрицательных и положительных зарядов называется поляризацией. т.е. процесс создание электрических диполей электрическим полем называется поляризацией.

Поляризация вектор

Если есть средний дипольный момент на молекулу, а N — количество молекул на молекулу. единицы объема, то поляризация твердого тела определяется поляризацией вектор P и его можно записать как

вектор поляризации — это дипольный момент на единицу объема диэлектрической материал.

Поляризуемость

поляризация зависит от электрического поля.

г. Константа пропорциональности называется поляризуемостью.

7. Define Electronic Поляризация.

Электронный поляризация возникает из-за смещения положительно заряженного ядра и отрицательно заряженный электрон в противоположных направлениях внешним электрическим поле.Это создает дипольный момент в диэлектрике. Это называется электронным поляризация.

8. Что такое ионная поляризация.

смещение катионов (+ ve) и анионов (-ve) в противоположных направлениях называется ионная поляризация. Это происходит в ионных твердых телах в присутствии электрического поля

9. Определите ориентационную поляризацию.

Когда электрическое поле приложено к диэлектрической среде с полярными молекулами, электрическое поле пытается выровнять эти диполи вдоль направления своего поля из-за что есть результирующий дипольный момент в этом материале, и этот процесс называется ориентационной поляризацией.

10. Что такое поляризация пространственного заряда?

поляризация пространственного заряда возникает из-за диффузии ионов вдоль поля направление, вызывающее перераспределение заряда в диэлектриках. Обычно этот тип поляризации встречается в ферритах и ​​полупроводниках, и он очень мала по сравнению с другими типами поляризации.

11. Что такое полярные и неполярные молекулы?

Молекулы которые имеют постоянный дипольный момент даже в отсутствие приложенного поля называются полярными молекулами.Пример: H ₂ O, HC, CO.

Молекулы которые не имеют постоянного дипольного момента, но имеют индуцированный дипольный момент в присутствии приложенного электрического поля называются неполярными молекулами.

Пример: O ₂ , H ₂ , № ₂

12. Задайте локальное, внутреннее или лоренцево поле.

В диэлектрическом материале поле, действующее на расположение атома называется локальным полем или внутренним полем [E _i ]

Внутреннее поле E должно быть равно сумме приложенного поля и поля, обусловленного расположением атома диполями все остальные атомы

т.е. E _i = E + Поле для всех другие диполи.

13. Определение диэлектрических потерь и диэлектрических потерь авария.

Когда диэлектрический материал подвергается воздействию переменного электрического поля, некоторое количество энергии поглощается материалом и рассеивается в виде тепла. Этот потеря энергии называется диэлектрическими потерями.

Когда диэлектрический материал теряет свои свойства и пропускает большой ток, это называется пробоем диэлектрика.

14. Что такое оптическое поглощение и инфракрасное излучение? поглощение в диэлектрике?

диэлектрические потери в оптической области, связанные с электронами, составляют называется оптическим поглощением. Это поглощение приводит к окраске материалов. Диэлектрические потери в инфракрасной области, связанные с ионным вибрации называются поглощением инфракрасного излучения.

15. Определите пробой диэлектрика и его типы?

Когда диэлектрический материал теряет свои свойства и позволяет протекать большому току, это известно как пробой диэлектрика.

Типы

Внутренний авария.

Тепловой авария.

Электрохимический авария.

Дефект авария.

Увольнять авария.

16. Что такое ферроэлектрические материалы?

Материалы, проявляющие электрическую поляризацию даже в отсутствие электрического поля известны как ферроэлектрические материалы.

Кристаллические диэлектрические материалы, обладающие постоянная электрическая поляризация называется сегнетоэлектрическими материалами, имеющими электрический дипольный момент даже в отсутствие какого-либо поля. Обычно они анизотропные кристаллы со спонтанной поляризацией.

Примеры: Титанат париума [Ba TiO ₃ ], Дигидрофосфат калия [K H ₂ P O ₄ ], Ниобат лития [LiNb O ₃ ] и соль Рошеля.

17. Чем отличаются полярные и неполярные молекулы?

Полярный молекулы

Эти молекулы имеют постоянный дипольный момент даже в отсутствие приложенного поля.

поляризация полярных молекул сильно зависит от температуры.

Есть поглощение или излучение в инфракрасном диапазоне для этих молекул

Пример: H ₂ O, HC1, CO

Неполярные молекулы

Эти молекулы не имеют постоянного дипольного момента

поляризация в молекулах этого типа не зависит от температуры.

Есть отсутствие поглощения излучения в инфракрасном диапазоне для этих молекул

Пример: O ₂ , H ₂ , N ₂

18. Сравните активные и страстные диэлектрики.

Активные диэлектрики

Диэлектрики который может легко адаптироваться для хранения в нем электрической энергии, называется активным диэлектрики.

Они используется в производстве ультразвука.

Пример : Пьезоэлектрика, Ферроэлектрика

Пассивные диэлектрики

Диэлектрики в результате чего в нем течет электрическая энергия, называются пассивными. диэлектрики.

Они используется в производстве листов.

Пример : Стекло, слюда и пластик

19.Каковы области применения сегнетоэлектрика материалы?

Сегнетоэлектрик материалы используются для изготовления датчиков давления, ультразвуковых преобразователей, микрофоны и газовые фильтры.

Они есть используется в качестве ядер памяти в компьютерах.

Они есть используется для измерения и контроля температуры.

Сегнетоэлектрик керамика используется в качестве конденсаторов для хранения электроэнергии

Они есть используется для изготовления очень хороших инфракрасных детекторов.

Рошель соль используется в таких устройствах, как микрофоны, тензодатчики, звукосниматели фонографа и Устройства SONAR.

В оптической связи, сегнетоэлектрические кристаллы используются для оптических модуляция.

Ферро электрические материалы используются для производства ультразвука

Электреты также используются для скрепления сломанных костей в человеческом теле.

Они используются в качестве стабилизаторов частоты и кварцевых генераторов.

Диэлектрическая поляризация — Engineering LibreTexts

Диэлектрическая поляризация возникает, когда в изоляционном материале формируется дипольный момент из-за приложенного извне электрического поля. Когда ток взаимодействует с диэлектрическим (изолирующим) материалом, диэлектрический материал реагирует сдвигом в распределении зарядов, при этом положительные заряды выравниваются с электрическим полем, а отрицательные заряды выравниваются против него.Воспользовавшись этой реакцией, можно создать важные элементы схемы, такие как конденсаторы.

Введение

Диэлектрическая поляризация — это термин, используемый для описания поведения материала при приложении к нему внешнего электрического поля. Простую картину можно сделать на примере конденсатора. На рисунке ниже показан пример диэлектрического материала между двумя проводящими параллельными пластинами. Заряды в материале будут реагировать на электрическое поле, создаваемое пластинами.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Связанные заряды — это заряды, которые касаются пластин конденсатора, в то время как свободные заряды обычно плавают в материале, но в этом случае они выровнены со связанными зарядами.

Используя модель конденсатора, можно определить относительную диэлектрическую проницаемость или диэлектрическую постоянную материала, задав его относительную диэлектрическую проницаемость, эквивалентную отношению измеренной емкости и емкости испытательного конденсатора, которая также равна абсолютной диэлектрической проницаемости. материала, деленного на диэлектрическую проницаемость вакуума.

\ [\ epsilon_r = \ dfrac {Q} {Q_0} = \ frac {C} {C_o} = \ frac {\ epsilon} {\ epsilon_0} \ label {1} ​​\]

Диэлектрическая проницаемость — важный термин, потому что другой термин, известный как электронная поляризуемость или \ (\ alpha_e \), может быть связан с диэлектрической проницаемостью. Электронная поляризуемость — это явление микроскопической поляризации, которое возникает во всех материалах и является одним из основных механизмов, управляющих диэлектрической поляризацией.

Чтобы объяснить, как диэлектрическая проницаемость связана с электронной поляризуемостью материала, необходимо определить поляризацию или P материала.Поляризация материала определяется как полный дипольный момент на единицу объема, и его уравнение:

\ [P = N \ alpha_e E = \ chi_e \ epsilon_0 E \ label {2} \]

, где термин \ (\ chi \) известен как электрическая восприимчивость материала, определяемая уравнением \ (\ chi = \ epsilon_r — 1 \). Затем, подставляя \ (\ epsilon_r — 1 \) вместо \ (\ chi \), определяется уравнение, связывающее относительную диэлектрическую проницаемость и электронную поляризуемость. \ [\ epsilon_r = 1 + \ frac {N \ epsilon_e} {\ epsilon_0} \] Где N — количество молекул в единице объема.

Хотя это уравнение действительно связывает диэлектрическую проницаемость с электронной поляризуемостью, оно представляет только материал в целом и не учитывает локальное поле или поле, испытываемое молекулой в диэлектрике. Это поле известно как поле Лоренца, и уравнение для его определения задается как

.

\ [E_ {loc} = E + \ frac {1} {3 \ epsilon_0} P \ label {3} \]

и путем обратной замены этого значения на поле, используемое в предыдущем методе, определяется следующее уравнение

\ [\ dfrac {\ epsilon_r — 1} {\ epsilon_r + 2} = \ frac {N \ alpha_e} {3 \ epsilon_0} \ label {4}.\]

Это уравнение известно как уравнение Клаузиуса-Моссотти и является способом обмена между микроскопическими свойствами электронной диэлектрической проницаемости и диэлектрической проницаемостью. Помимо знания электронной поляризуемости материала, существуют также другие субфакторы, такие как химический состав и тип связи, которые определяют общее диэлектрическое поведение материала. Однако электронная поляризация всегда присуща диэлектрическому материалу.

Ионная поляризация

Ионная поляризация — это механизм, влияющий на относительную диэлектрическую проницаемость материала.Этот тип поляризации обычно возникает в ионных кристаллических элементах, таких как NaCl, KCl и LiBr. В этих материалах нет чистой поляризации в отсутствие внешнего электрического поля, потому что дипольные моменты отрицательных ионов компенсируются положительными ионами. Однако при приложении внешнего поля ионы смещаются, что приводит к индуцированной поляризации. На рис. 2 показано смещение ионов из-за этого внешнего электрического поля.

Рис. 2: Влияние внешнего электрического поля на ионный материал.Положительные заряды будут течь вместе с полем, а отрицательные заряды будут течь против поля, в результате чего образуется чистый средний дипольный момент на ион.

Уравнение для описания этого эффекта:,

\ [P_av = \ alpha_i E_ {loc} \ label {5} \]

где P _av — наведенный средний дипольный момент на пару ионов, \ (\ alpha_i \) — ионная поляризуемость, а E — локальное электрическое поле, испытываемое парой ионов. Обычно ионная поляризуемость в 10 раз больше электронной поляризуемости, что приводит к образованию ионных веществ с высокими диэлектрическими постоянными.Подобно электронной поляризации, ионная поляризация также связана с полной поляризацией. Уравнение дается

\ [P = N_i P_ {av} = N_i \ alpha_i E_ {loc} \ label {6} \]

, что также приведет к уравнению Клаузиуса-Моссотти для ионной поляризации,

\ [\ frac {\ epsilon_r — 1} {\ epsilon_r + 2} = \ frac {1} {3 \ epsilon_0} N_i \ alpha_i \ label {7} \]

Обратите внимание, что эти уравнения предполагают наличие баланса заряда внутри ионного материала (например,NaCl), тогда как при наличии дисбаланса зарядов, например, в таких материалах, как CaF ₂ , необходимо использовать другую систему уравнений.

Ориентационная поляризация

Ориентационная поляризация возникает, когда в материале присутствует постоянный дипольный момент. Такие материалы, как HCl и H ₂ O, будут иметь чистый постоянный дипольный момент, потому что распределение заряда этих молекул искажено. Например, в молекуле HCl атом хлора будет заряжен отрицательно, а атомы водорода будут заряжены положительно, что сделает молекулу диполярной.Диполярная природа молекулы должна вызывать дипольный момент в материале, однако в отсутствие электрического поля дипольный момент компенсируется тепловым возбуждением, что приводит к общему нулевому дипольному моменту на молекулу. Однако при приложении электрического поля молекула начнет вращаться, чтобы выровнять молекулу с полем, вызывая суммарный средний дипольный момент на молекулу, как показано на рисунке 4.

Рис. 3. Влияние электрического поля на типичную дипольную молекулу.P ₀ символизирует дипольный момент, a — расстояние от центра тела молекулы, а F — сила, которая равна заряду Q, умноженному на электрическое поле, E.

Рис. 4: На рисунке показано, как можно заставить молекулы с тепловым возбуждением (слева) создавать суммарный дипольный момент на ион в материале с помощью приложенного извне поля (справа).

Чтобы определить, соответствует ли индуцированный средний дипольный момент вдоль электрического поля, необходимо вычислить среднюю потенциальную энергию диполя и сравнить со средней тепловой энергией \ (\ frac {1} {5} kT \), определенной термодинамикой. для пяти степеней свободы.Для этого Сила F на рисунке 3 может быть рассмотрена как крутящий момент \ (\ tau \), действующий на твердое тело диполярной молекулы. Используя эту модель, уравнение крутящего момента дается

\ [\ tau = (F sin \ theta) a = EP_0 sin (\ theta) \ label {8} \]

, где P ₀ определяется как \ (P_0 = aQ \). Из этого уравнения можно рассчитать максимальную потенциальную энергию, взяв интеграл в момент максимального крутящего момента. Эта максимальная потенциальная энергия вычисляется как \ (2P_0 E \), что затем означает, что средняя дипольная потенциальная энергия равна \ (\ frac {1} {2} E_ {max} \) или \ (P_0E \).2} {3kt} \] Уравнение для ориентационной поляризуемости показывает, что в отличие от электронной поляризуемости и ионной поляризуемости, ориентационная поляризуемость зависит от температуры. Это важный фактор, который следует учитывать при выборе диэлектрического материала для электронных и оптических приложений.

Межфазная поляризация

Межфазная поляризация или поляризация пространственного заряда возникает, когда происходит накопление заряда на границе раздела между двумя материалами или между двумя областями внутри материала из-за внешнего поля.Это может происходить, когда есть составной диэлектрик или когда два электрода соединены с диэлектрическим материалом. Этот тип электрической поляризации отличается от ориентационной и ионной поляризации, поскольку вместо воздействия на связанные положительные и отрицательные заряды, то есть на ионные и ковалентные связанные структуры, межфазная поляризация также влияет на свободные заряды. В результате межфазная поляризация обычно наблюдается в аморфных или поликристаллических твердых телах. На рисунке 5 показан пример того, как свободные заряды могут накапливаться в поле, вызывая межфазную поляризацию.Электрическое поле вызовет дисбаланс заряда из-за изолирующих свойств диэлектрического материала. Однако подвижные заряды в диэлектрике будут мигрировать, сохраняя нейтральность заряда. Затем это вызывает межфазную поляризацию.

Рис. 5: Здесь показано, как свободные положительные заряды внутри диэлектрического материала мигрируют в сторону накопления отрицательного заряда справа, вызванного внешним электрическим полем.

Уравнение для отображения константы поляризуемости пространственного заряда: \ [\ alpha_c = \ alpha — \ alpha _ {\ infty} — \ alpha_0 \], где \ (\ alpha_c \) — поляризуемость пространственного заряда, а \ (\ alpha \), \ (\ alpha _ {\ infty} \) и \ (\ alpha_0 \) относятся к полной, электронной и ориентационной поляризациям соответственно.Важно отметить, что поскольку заряды являются свободными зарядами, дефекты, такие как границы зерен или другие поверхности раздела, могут служить средой для формирования межфазной поляризуемости.

Затем из уравнения поляризации пространственного заряда определяется, что общая величина диэлектрической поляризации в материале является суммой электронной, ориентационной и межфазной поляризуемостей, или \ (\ alpha = \ alpha_c + \ alpha _ {\ infty } + \ alpha_0 \).

Вопросы

1. Что вносит больший вклад в общую поляризацию в сбалансированном ионном материале (т.е.е. KCl). ионная поляризация или электронная поляризация?
2. Какова абсолютная диэлектрическая проницаемость тефлона, если его диэлектрическая проницаемость составляет 2,1 при комнатной температуре ниже 1 кГц?
3. Рассчитайте общую поляризуемость материала, когда ионная поляризуемость равна 0, ориентационная поляризуемость составляет 15 см ² , а межфазная поляризация составляет 3 см ² ?

Ответы

1. Ионная поляризация примерно в 10 раз сильнее электронной поляризации для сбалансированных ионных структур.
2. \ (\ epsilon_r = \ frac {\ epsilon} {\ epsilon_0} \), поэтому ответ — 2,1.
3. 5 + 3 = 18, поэтому 18 см ² .

Список литературы

1. Bunget, I. & Popescu, M. (1984). Физика твердых диэлектриков . Амстердам: Эльзевир.
2. Као, К. (2004). Диэлектрические явления в твердых телах с акцентом на физические концепции электронных процессов . Амстердам: Academic Press.
3. Kasap, S. (2006). Принципы электронных материалов и устройств (3-е изд.). Бостон: Макгроу-Хилл.

Авторы и авторство

• Р. Чен, MSE (Калифорнийский университет в Дэвисе). Н. Марат, MSE, (Калифорнийский университет в Дэвисе)

Свойства конденсаторов и диэлектриков

Если вы считаете, что контент, доступный через Веб-сайт (как определено в наших Условиях обслуживания), нарушает одно или другие ваши авторские права, сообщите нам, отправив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному ниже агенту.Если репетиторы университета предпримут действия в ответ на ан Уведомление о нарушении, оно предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, которая предоставила такой контент средствами самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении прав может быть отправлено стороне, предоставившей доступ к контенту, или третьим лицам, таким как в виде ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатам), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или действие нарушает ваши авторские права.Таким образом, если вы не уверены, что контент находится на Веб-сайте или по ссылке с него нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к юристу.

Чтобы отправить уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись правообладателя или лица, уполномоченного действовать от их имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробностей, чтобы позволить репетиторам университетских школ найти и точно идентифицировать этот контент; например, мы требуем а ссылка на конкретный вопрос (а не только на название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса — изображению, ссылке, тексту и т. д. — относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; а также Ваше заявление: (а) вы добросовестно считаете, что использование контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права не разрешены законом, владельцем авторских прав или его агентом; (б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство, что вы либо владелец авторских прав, либо лицо, уполномоченное действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему уполномоченному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105

Или заполните форму ниже:

Конденсаторы и диэлектрики — MCAT Physical

Если вы считаете, что контент, доступный через Веб-сайт (как определено в наших Условиях обслуживания), нарушает одно или другие ваши авторские права, сообщите нам, отправив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному ниже агенту.Если репетиторы университета предпримут действия в ответ на ан Уведомление о нарушении, оно предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, которая предоставила такой контент средствами самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении прав может быть отправлено стороне, предоставившей доступ к контенту, или третьим лицам, таким как в виде ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатам), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или действие нарушает ваши авторские права.Таким образом, если вы не уверены, что контент находится на Веб-сайте или по ссылке с него нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к юристу.

Чтобы отправить уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись правообладателя или лица, уполномоченного действовать от их имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробностей, чтобы позволить репетиторам университетских школ найти и точно идентифицировать этот контент; например, мы требуем а ссылка на конкретный вопрос (а не только на название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса — изображению, ссылке, тексту и т. д. — относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; а также Ваше заявление: (а) вы добросовестно считаете, что использование контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права не разрешены законом, владельцем авторских прав или его агентом; (б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство, что вы либо владелец авторских прав, либо лицо, уполномоченное действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему уполномоченному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105

Или заполните форму ниже:

.