Диэлектриками являются: Какие вещества называются диэлектриками? — ответ на Uchi.ru

Глава 19. Проводники и диэлектрики в электрическом поле

В школьном курсе физики есть раздел, посвященный электрическим свойствам проводников и диэлектриков и их поведению во внешнем электрическом поле. В необходимый минимум знаний по этому вопросу входит понимание явления электростатической индукции и его механизмов в проводниках и диэлектриках, а также умение находить в простейших ситуациях индуцированные в проводниках и диэлектриках заряды. Кратко рассмотрим эти вопросы.

В состав атомов входят заряженные частицы (электроны и протоны). Поэтому любое тело содержит огромное количество зарядов. Число протонов и число электронов в составе незаряженного тела одинаково, заряженное тело содержит разные количества протонов и электронов.

В зависимости от того, являются ли заряды внутри тела свободными или связанными, все вещества делятся на проводники, диэлектрики (или изоляторы) и полупроводники. В проводниках электрические заряды могут свободно перемещаться, и потому такие тела проводят электрический ток.

К проводникам относятся все металлы, в которых носителями заряда являются «оторвавшиеся» от атомов валентные электроны (свободные электроны), а также растворы электролитов (кислот, щелочей и солей), в которых перемещаются положительные и отрицательные ионы.

В диэлектриках все заряды «привязаны» к покоящимся атомам и не могут перемещаться. Поэтому диэлектрики не проводят электрический ток. К диэлектрикам, например, относятся: газы, пластмассы, эбонит, резина, дистиллированная вода.

Вещества, занимающие по своей проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, называются полупроводниками. Типичными полупроводниками являются кристаллические германий и кремний. В полупроводниках свободные носители заряда есть, но их мало. Не следует, однако, думать, что полупроводники являются просто «плохими» проводниками или «плохими» изоляторами. Промежуточная проводимость полупроводников приводит ко многим необычным их свойствам, которые отличают полупроводники как от проводников, так и от диэлектриков.

С этими свойствами связаны многие применения полупроводников в технике.

При помещении проводника в электрическое поле свободные носители заряда внутри проводника перемещаются и на его поверхности образуются области положительного и отрицательного заряда. Такое явление разделения зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля называется электростатической индукцией или поляризацией проводника. В результате поляризации электрическое поле в пространстве изменяется и становится равным сумме внешнего поля и поля индуцированных зарядов. Можно доказать, что перемещение зарядов в проводнике будет происходить до тех пор, пока суммарное поле внутри проводника не станет равным нулю, а на его поверхности — перпендикулярным поверхности.

Такое свойство проводника позволяет находить индуцированные на его поверхности заряды. Для этого нужно ввести эти заряды как некоторые неизвестные величины, затем найти поле, создаваемое этими зарядами и суммарное поле, равное векторной сумме внешнего поля и поля индуцированных зарядов, приравнять суммарное поле внутри проводника к нулю.

Решение полученного уравнения и позволит найти индуцированные заряды.

В диэлектрике поляризация также происходит, однако механизмы этого явления — другие. Как правило, молекулы диэлектрика являются полярными, т.е. какая-то область молекулы заряжена положительно, какая-то — отрицательно. При помещении диэлектрика во внешнее поле молекулы поворачиваются, и на определенные участки поверхности диэлектрика «выходят» своими положительными областями, на другие — отрицательными. В результате на поверхности диэлектрика образуются области положительного и отрицательного заряда, но при разрезании диэлектрика (в отличие от разрезания проводника) получившиеся части будут незаряженными. Благодаря поляризации диэлектрика поле в нем ослабляется, но не становится равным нулю. Характеристика диэлектрика , которая показывает, во сколько раз ослабляется поле в нем, называется диэлектрической проницаемостью.

Рассмотрим в рамках данного фактического материала задачи первой части.

В задаче 19. 1.1 из нижеперечисленного списка веществ проводником электрического тока является металл — свинец (ответ 3).

В задаче 19.1.2 диэлектриком является мел (ответ 1; алюминий и железо — металлы, т.е. проводники тока, в водопроводной воде растворены различные соли в таком количестве, что она является прекрасным проводником электрического тока).

Как отмечалось ранее, при внесении металлического тела в электрической поле (задача 19.1.3

) на поверхности тела индуцируются электрические заряды, сумма которых равна нулю. Все остальные предложенные ответы неверны: для приобретения электрического заряда телу нужно сообщить или забрать у него электроны, заряды не могут индуцироваться в объеме проводника — их невозможно там удержать.

Взаимодействие между зарядом и незаряженным диэлектрическим телом возникает (задача 19.1.4), причем это взаимодействие –— притяжение (ответ 2). Это взаимодействие возникает благодаря поляризации: из-за ориентации молекул диэлектрика часть поверхности тела, обращенная к заряду, приобретает заряд противоположного знака, дальняя от заряда часть поверхности тела — заряд того же знака (см. рисунок).

Поэтому возникнет две силы — притяжение близких участков и отталкивание дальних. Но поскольку индуцированные заряды — одинаковы по величине, а кулоновское взаимодействие убывает с ростом расстояния, притяжение сильнее отталкивания, и тело будет притягиваться к заряду.

Как указывалось во введении к настоящей главе, части металлического тела, внесенного в электрическое поле и разрезанного там (задача 19.1.5) будут заряжены. Поскольку направление вектора напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, часть будет заряжена положительно, часть — отрицательно (ответ 2). Если тело является диэлектриком, то его части будут незаряженными (задача 19.1.6 — ответ 1).

При внесении проводящего тела в электрическое поле (задача 19.1.7) будут иметь место все три явления, перечисленных в качестве возможных ответов к задаче. О пунктах (1) и (3) («поле внутри проводника равно нулю» и «поле на поверхности перпендикулярно поверхности») говорилось во введении к настоящей главе. Докажем, что потенциал одинаков во всех точках тела. Для этого возьмем точечный пробный заряд и мысленно перенесем его из одной точки тела в другую (см. рисунок; траектория движения заряда показана пунктиром). С одной стороны, при таком движении поле совершит работу , где и — потенциалы начальной и конечной точек траектории тела. С другой стороны, поскольку напряженность поля внутри проводящего тела равна нулю, эта работа — нулевая. Поэтому (правильный ответ в задаче — 4). Аналогично в задаче 19.1.8 (ответ ,3).

После соединения проводником (задача 19.1.9) два металлических тела и соединяющий проводник будут представлять собой единое проводящее тело. Поэтому потенциалы любых точек этого тела должны быть одинаковы. Следовательно, выровняются потенциалы сфер (ответ

1).

В задачах с заземлением (задача 19.1.10) рассматривается следующая модель Земли: это проводящий шар с размерами, много большими размеров любых тел, имеющихся в задаче. Поэтому для потенциала Земли можно использовать формулу (18.8), которая для любых зарядов, с которыми мы имеем дело, дает нулевой результат. Поэтому при заземлении тела его потенциал становится равным нулю (ответ 2).

Сила взаимодействия противоположных электрических зарядов при внесении между ними диэлектрической пластинки (задача 19.2.1) увеличится (ответ 2). Действительно, в поле зарядов на поверхности пластинки будут индуцироваться заряды: ближе к положительному — минусы, ближе к отрицательному — плюсы (см. рисунок). В результате на каждый точечный наряду с той же самой силой притяжения к другому заряду (а она, конечно, не меняется, ведь принцип суперпозиции говорит о том, что все заряды взаимодействуют независимо) будут действовать две дополнительные силы. Это будет сила притяжения к зарядам того же знака и отталкивания от зарядов противоположного.

А поскольку заряды противоположного знака ближе, сила притяжения будет больше. Возникновение дополнительной силы, направленной к пластинке, будет восприниматься как увеличение силы притяжения.

Как отмечалось выше (задача 19.1.7) потенциал электрического поля во всех точках проводящего тела одинаков. Поэтому можно ввести понятие потенциала проводящего тела, который определяется как потенциал электрического поля в любой точке этого тела. Поэтому для потенциала металлического шара из задачи 19.2.2 имеем , где , — заряд шара, — его радиус. Потенциал поля шара на расстоянии двух радиусов от его поверхности и, следовательно, трех радиусов от центра шара равен , т.е. одной трети от потенциала шара. Отсюда находим В (ответ

2).

Потенциал каждой капли ртути (задача 19.2.3) равен , где , — заряд капли, — ее радиус. После слияния заряд большой капли равен , а радиус , где — число капель (последнее следует из того, что объем большой капли равен сумме объемов капель). Отсюда находим потенциал большой капли

(ответ 2).

Поскольку после соединения шары будут представлять собой единое металлическое тело (задача 19.2.4), то заряд разделится между ними так, что потенциалы шаров будут одинаковы. Поэтому для зарядов шаров и выполнено условие

Отсюда находим (ответ 4).

Согласно принципу суперпозиции потенциал каждой точки складывается из потенциала, создаваемого в этой точке всеми зарядами. Поэтому потенциалы и внутренней и внешней сферы (задача 19.2.5) создаются зарядами внутренней и внешней сфер. А поскольку потенциал в любой точке внутри сферы определяется ее радиусом сферы (см. (18.8)), получаем

Аналогично находим потенциал внешней сферы

Отсюда находим

(ответ 3).

Чтобы найти разность потенциалов между двумя проводниками нужно мысленно перенести пробный заряд с одного из них на другой, найти работу, совершаемую электрическим полем при этом, разделить работу на величину пробного заряда. В задаче 19.2.6 между пластинками будет однородное поле с напряженностью . Поэтому работа поля над пробным зарядом при его перемещении с одной пластинки на другую есть . С другой стороны, работа поля следующим образом связана с разностью потенциалов . Отсюда находим разность потенциалов пластин

(ответ 3).

Поскольку напряженность поля между двумя параллельными пластинками, заряженными одинаковым зарядом равна нулю (см. задачу 18.2.8), то при перенесении пробного заряда с одной пластины на другую поле не совершает работу. Следовательно, разность потенциалов между такими пластинками в задаче 19.2.7 равна нулю (ответ 4).

В задаче 19.2. 8 заряды распределятся только по внешней поверхности полого шара (если бы весь заряд или какая-то его часть находилась на внутренней поверхности, то в объеме проводника было бы электрическое поле, чего быть не должно). А поскольку заряд, расположенный на поверхности сферы, создает поле только снаружи этой сферы, то напряженность будет отлична от нуля только в области 3. Поэтому правильный ответ в задаче — 4.

В задаче 19.2.9 заряды индуцируются и на внешней и на внутренней поверхностях полого шара, причем их сумма равна нулю. Результирующее поле будет создаваться центральным зарядом и индуцированными зарядами, которые, фактически, представляют собой равномерно заряженные сферы. А поскольку поле сферы равно нулю внутри этой сферы, то суммарное поле в полости (в области 1) равно полю точечного заряда, т.е. не равно нулю. Внутри металлического тела (в области 2) поле равно нулю, как и внутри любого проводника. Снаружи шара поля индуцированных зарядов компенсируют друг друга, поэтому суммарное поле равно полю точечного заряда, т. е. не равно нулю. Поэтому правильный ответ в этой задаче — 2.

В задаче 19.2.10 на внешней и внутренней поверхности сферической оболочки будут индуцироваться такие заряды, что суммарное поле (внешнее плюс поле индуцированных зарядов) внутри оболочки будет равняться нулю. Пусть на внутренней поверхности будет индуцирован заряд — , тогда на внешней поверхности будет индуцирован заряд . Поле внутри оболочки (в области 2) будет создаваться только точечным зарядом и зарядами внутренней поверхности (заряд внешней поверхности благодаря ее сферичности в этой области электрического поля не создает). С другой стороны это поле равно нулю. Отсюда заключаем, что заряд внутренней поверхности оболочки противоположен по знаку центральному точечному заряду и равен ему по величине . Следовательно, заряд внешней поверхности оболочки центральному заряду (ответ 1).

что это такое, типы, свойства — Asutpp

Существуют вещества, которые очень хорошо проводят электричество, т. е. проводники. Их противоположностью являются диэлектрики, или изоляторы. Блокируют ли изоляторы протекание электрического тока? Существуют ли ситуации, в которых можно преодолеть сопротивление таких изоляторов и сделать возможным протекание электрического тока? Как ведут себя диэлектрики во внешнем электрическом поле? Все это вы узнаете в данном материале.

Что такое диэлектрик?

Мы можем определить понятие диэлектрика по удельному сопротивлению (резистивности) этого материала. Мы определяем удельное сопротивление ρ как электрическое сопротивление проводника из однородного материала с площадью поперечного сечения S, равной одному квадратному метру, и длиной l, равной одному метру. Однако в данной стать будет более уместно связать удельное сопротивление материала с напряженностью электрического поля. Внутри материала, по которому течет электрический ток плотностью j, существует поле напряженности E. Для однородного и изотропного материала мы можем записать удельное сопротивление как отношение значений этих двух векторов:

ρ = E / j

В системе СИ единицей удельного сопротивления является Ом на метр (Ом * м).

Удельное сопротивление — это постоянная величина, характеризующая материал. Чем выше значение удельного сопротивления, тем хуже материал проводит электричество. Предполагается, что удельное сопротивление диэлектриков больше 10⁷ Ом*м, в то время как хорошие проводники имеют значение удельного сопротивления порядка 10^-8 — 10^-6 Ом*м.

Проводимость — это «перенос» электрических зарядов носителями. К таким носителям относятся электроны. В металлах, например, валентные электроны отрываются от отдельных атомов и под воздействием приложенного электрического поля перемещаются по металлу, неся отрицательный заряд. Поэтому в металле течет электрический ток. Металл является хорошим проводником.

В изоляторах, с другой стороны, заряды относительно неподвижны.

Поскольку диэлектрики имеют очень высокие значения электрического сопротивления (обычно порядка гига Ом), для получения даже небольшого тока необходимо приложить высокое электрическое напряжение порядка гигавольт. Это повлечет за собой разрушение диэлектрика.

Таким образом, мы видим, что проведение электрического тока через диэлектрики невозможно.

Типы диэлектриков и их свойства

Диэлектрики обладают очень интересными свойствами. При помещении во внешнее электрическое поле они подвергаются электрической поляризации. При этом внутри диэлектрика образуется электрическое поле, направленное противоположно внешнему полю, вызвавшему поляризацию.

Откуда она берется? Почему внутри диэлектрика возникает электрическое поле? Давайте поищем ответ в молекулярной структуре диэлектриков.

Существует два типа диэлектриков: полярные и неполярные.

Полярные диэлектрики — это диэлектрики, молекулы которых являются постоянными диполями. Диполь — это расположение двух разнородных электрических зарядов одинаковой величины q на расстоянии l друг от друга.

Величина, характеризующая диполи, — это дипольный момент ρ. Дипольный момент определяется как произведение величины заряда q и вектора l имеющий величину, равную расстоянию между зарядами, направлению прямой линии, соединяющей заряды, и возврату от отрицательного заряда к положительному:

ρ = q * l

Рис. 1. Схематический рисунок электрического диполя

Единицей дипольного момента является произведение кулона и метра (Кл*м).

В полярных диэлектриках молекулы обладают собственным дипольным моментом.

Примерами полярных диэлектриков являются соляная кислота (HCl) с дипольным моментом = 3,70*10^-30 Кл*м и вода (H₂O) с дипольным моментом = 6,15*10^-30 Кл*м.

Рис. 2. Молекула воды как диполь

Если такой диполь поместить во внешнее электрическое поле напряженностью E, то на него будет действовать момент силы M:

M = ρ * E

Поэтому момент силы заставит диполь повернуться так, чтобы его ось была направлена вдоль линии поля, как показано на рисунке 3.

Рис. 3. Диполь, помещенный в электрическое поле

Этот момент исчезнет, когда векторы ρ и E станут параллельными.

Неполярные диэлектрики не имеют собственного дипольного момента (их дипольный момент равен нулю). Однако мы можем получить момент, поместив такой атом или молекулу во внешнее электрическое поле. В этом случае положительные заряды (ядра) и отрицательные заряды (электроны) разделяются.

Примерами неполярных диэлектриков являются водород (H₂) и метан (CH₄). Без поля они имеют нулевой дипольный момент.

Существует также группа диэлектриков с особыми свойствами. К таким диэлектрикам относятся пьезоэлектрики, пироэлектрики и ферроэлектрики.

Пьезоэлектрики — это кристаллы, в которых под действием механического напряжения индуцируются электрические заряды. То есть, под давлением (или растяжением) мы можем генерировать электрическое поле.

Примером пьезоэлектрика является кварц. Пьезоэлектрики применяются в качестве электроакустических преобразователей, например, в громкоговорителях, а также в качестве искровых промежутков в сигаретных зажигалках.

Пироэлектрики — это вещества (обычно кристаллы), в которых поляризация происходит при изменении температуры, например, при нагревании.

Примером пироэлектрика является сульфат триглицина. Пироэлектрики являются частным случаем пьезоэлектриков. Пироэлектрики могут найти применение в тепловизионных матрицах.

Третий тип диэлектриков, о котором стоит знать, — это ферроэлектрики. Ферроэлектрики приобретают дипольный момент при помещении во внешнее электрическое поле, но, в отличие от других диэлектриков, этот момент не исчезает, когда значение внешнего поля достигает нуля. Дипольный момент ферроэлектрика изменяется, как показано на диаграмме ниже — такая зависимость называется гистерезисом (от греческого hysteresis — задержка).

Рис. 4. Петля гистерезиса изменение дипольного момента ферроэлектрика в зависимости от напряженности внешнего электрического поля

На рис. 4 мы видим петлю гистерезиса, зависимость дипольного момента p от напряженности поля E. Первоначально напряженность поля и дипольный момент равны 0. По мере увеличения напряженности поля значение дипольного момента также увеличивается.

Затем значение напряженности электрического поля уменьшается — значение дипольного момента также уменьшается, но это уменьшение «запаздывает», как показано на кривой 2.

Когда значение E снова равно 0 — значение дипольного момента p_r (остаточная поляризация). Дипольный момент достигает нуля только для E = E_c, направленного противоположно исходному полю. После достижения минимума значения E и p снова увеличиваются, на этот раз в виде части гистерезиса, обозначенной — 3.

Ферроэлектрики являются частным случаем пироэлектриков.

Что касается агрегатного состояния, то различают диэлектрики:

• твердые — это могут быть как органические материалы (такие как парафин, бумага, дерево или резина), так и неорганические (такие как фарфор, асбест или стекло),
• жидкость (например, минеральные, синтетические или силиконовые масла),
• газообразные, которые часто используются в системах электроизоляции (например, благородные газы — аргон, гелий, неон; аммиак, воздух, углекислый газ).

Диэлектрическая проницаемость | Определение, формула, единицы измерения и факты

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.

• Студенческий портал
  Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
• Спасение Земли
  Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
• SpaceNext50
  Britannica представляет SpaceNext50. От полета на Луну до управления космосом — мы изучаем широкий спектр тем, которые питают наше любопытство к космосу!

Содержание

• Введение

Краткие факты

• Факты и сопутствующий контент

Викторины

• Физика и естественное право
• Викторина «Все о физике»

Электростатическая индукция | физика | Британика

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.

• Студенческий портал
  Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.