Электрическое поле в веществе кратко. Электрическое поле в веществе: особенности поведения проводников и диэлектриков

Как ведут себя проводники и диэлектрики в электрическом поле. Какие процессы происходят в веществе под действием внешнего электрического поля. Чем отличается поведение проводников и диэлектриков в электрическом поле. Что такое поляризация диэлектриков.

Что такое электрическое поле в веществе и чем оно отличается от поля в вакууме

Электрическое поле в веществе имеет ряд особенностей по сравнению с полем в вакууме. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц — электронов и ядер атомов, которые могут смещаться под действием внешнего поля. Рассмотрим основные отличия:

• В веществе происходит перераспределение зарядов под действием внешнего поля, что приводит к появлению внутреннего поля
• Суммарное поле в веществе является суперпозицией внешнего и внутреннего полей
• Напряженность результирующего поля в веществе обычно меньше, чем в вакууме
• Характер изменения поля зависит от типа вещества — проводника или диэлектрика

Таким образом, поведение электрического поля в веществе определяется его электрическими свойствами и структурой. Рассмотрим подробнее особенности поля в проводниках и диэлектриках.

Электрическое поле в проводниках: основные свойства

Проводники характеризуются наличием свободных зарядов, которые могут перемещаться под действием электрического поля. Это приводит к следующим особенностям поля в проводниках:

1. Внутри проводника в статическом состоянии напряженность электрического поля равна нулю
2. Весь свободный заряд в проводнике располагается на его поверхности
3. Поверхность проводника является эквипотенциальной
4. Линии напряженности электрического поля перпендикулярны поверхности проводника

Каковы причины такого поведения поля в проводниках? При внесении проводника во внешнее электрическое поле происходит перераспределение свободных зарядов. Они движутся, пока не скомпенсируют внешнее поле внутри проводника. В результате устанавливается равновесное состояние с нулевым полем внутри.

Процесс электростатической индукции в проводниках

Электростатическая индукция — это явление перераспределения зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля. Рассмотрим основные этапы этого процесса:

1. Внесение незаряженного проводника во внешнее электрическое поле
2. Смещение свободных электронов против направления поля
3. Появление избыточного отрицательного заряда на одной стороне проводника и положительного на другой
4. Возникновение внутреннего поля, направленного противоположно внешнему
5. Компенсация внешнего поля внутренним, установление равновесия

В результате индукции проводник поляризуется — на его поверхности возникают индуцированные заряды. При этом суммарный заряд проводника остается равным нулю.

Электрическое поле в диэлектриках: механизмы поляризации

Диэлектрики, в отличие от проводников, не содержат свободных зарядов. Однако при внесении во внешнее электрическое поле в них также происходит перераспределение связанных зарядов — поляризация. Различают следующие основные механизмы поляризации диэлектриков:

• Электронная поляризация — смещение электронных оболочек относительно ядер атомов
• Ионная поляризация — смещение ионов в кристаллической решетке
• Ориентационная поляризация — поворот полярных молекул
• Объемно-зарядовая поляризация — накопление зарядов на границах неоднородностей

В результате поляризации на поверхности диэлектрика появляются связанные заряды, создающие внутреннее поле. Оно ослабляет внешнее поле, но не компенсирует его полностью, как в проводниках.

Диэлектрическая проницаемость как характеристика поляризуемости вещества

Для количественной характеристики поляризуемости диэлектриков вводится понятие диэлектрической проницаемости ε. Она показывает, во сколько раз ослабляется электрическое поле в веществе по сравнению с вакуумом:

ε = E0 / E

где E0 — напряженность поля в вакууме, E — напряженность поля в диэлектрике.

Диэлектрическая проницаемость зависит от:

• Типа диэлектрика и механизмов его поляризации
• Температуры
• Частоты переменного электрического поля
• Напряженности поля (для нелинейных диэлектриков)

Чем больше ε, тем сильнее поляризуется диэлектрик и тем больше ослабляется в нем электрическое поле.

Сравнение поведения проводников и диэлектриков в электрическом поле

Сравним основные особенности поведения проводников и диэлектриков в электрическом поле:

Характеристика	Проводники	Диэлектрики
Наличие свободных зарядов	Есть	Нет
Поле внутри вещества	Равно нулю	Ослаблено, но не равно нулю
Распределение зарядов	На поверхности	По всему объему
Поляризация	Только поверхностная	Объемная

Таким образом, проводники и диэлектрики существенно различаются по своему поведению в электрическом поле, что обусловлено разницей в их электрической структуре.

Практическое применение знаний об электрическом поле в веществе

Понимание особенностей поведения электрического поля в веществе имеет важное практическое значение в различных областях техники и технологии:

• Разработка электроизоляционных материалов
• Создание конденсаторов с высокой емкостью
• Проектирование систем электростатической защиты
• Разработка датчиков и сенсоров на основе диэлектриков
• Совершенствование технологий электростатической очистки газов

Знание закономерностей поведения проводников и диэлектриков в электрическом поле позволяет эффективно управлять его характеристиками и использовать для решения различных прикладных задач.

Заключение: ключевые особенности электрического поля в веществе

Подведем итоги рассмотрения особенностей электрического поля в веществе:

1. Поле в веществе является суперпозицией внешнего и внутреннего полей
2. В проводниках поле внутри равно нулю, все заряды на поверхности
3. В диэлектриках происходит объемная поляризация, поле ослабляется
4. Степень ослабления поля характеризуется диэлектрической проницаемостью
5. Поведение поля зависит от структуры и свойств конкретного вещества

Понимание этих закономерностей позволяет эффективно использовать электрические свойства веществ в различных практических приложениях.

9. Электрическое поле в веществе.

Микро- и макрополе. Истинное электрическое поле в любом веществе — его называют микрополем — меняется весьма резко как в пространстве, так и во времени. Оно различно в разных точках атомов и промежутках между ними. Чтобы найти напряженность Е истинного поля в некоторой точке в данный момент, нужно было бы сложить напряженности полей всех отдельных заряженных частиц вещества — электронов и ядер. Решение этой задачи, очевидно, является совершенно нереальным. Да и сам результат оказался бы настолько сложным, что его просто нельзя было бы использовать.

Более того, для решения макроскопических задач такое поле и вовсе не нужно. для многих целей достаточно более простое и несравненно более грубое описание, которым мы и будем пользоваться в дальнейшем. Под электрическим полем Е в веществе его называют макрополем мы будем понимать пространственно-усредненное микрополе (после пространственного усреднения временное усреднение уже не требуется). Это усреднение проводится по так называемому физически бесконечно малому объему – объему, содержащему большое число атомов, но имеющему размеры во много раз меньше, чем те расстояния, на которых макрополе меняется заметно.

усреднение по таким объемам сглаживает все нерегулярные и быстро меняющиеся вариации микрополя на расстояниях поряд-ка атомных, но сохраняет плавные изменения макрополя на макроскопических расстояниях. Итак, поле в веществе

Влияние вещества на поле. При внесении любого Вещества в электрическое поле в веществе происходит смещение положительных и отрицательных зарядов (ядер и электронов) . что в свою очередь приводит к частичному разделению этих зарядов. В тех или иных местах вещества появляются нескомпенсированные заряды различного знака. Это явление называют электро-статической индукцией, а появившиеся

в результате разделения заряды – индуцированными зарядами. Индуцированные заряды создают дополнительное электрическое поле, которое вместе с исходным (внешним) электрическим полем образует результирующее поле. Зная внешнее поле и распределение индуцированных зарядов, можно при нахождении результирующего воля уже не обращать внимание на наличие самого вещества его роль уже учтена с помощью индуцированных зарядов.

Таким образом, результирующее поле при наличии вещества, определяется просто как суперпозиция внешнего поля и поля индуцированных зарядов. однако во многих случаях дело усложняется тем, что мы заранее не знаем, как распределяются в пространстве все эти заряды – задача оказывается далеко не такой простой, как могло бы показаться вначале.

Поляризация – ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.

О явлениях, обусловленных поляризацией диэлектрика, можно судить по значению диэлектрической проницаемости, а также угла диэлектрических потерь, если поляризация сопровождается рассеянием энергии, вызывающим нагрев диэлектрика.

В чем же заключается принцип поляризации: Под влиянием электрического поля связанные электрические заряды диэлектрика смещаются в направлении действующих на них сил и тем больше, чем выше напряженность поля. При снятии электрического поля заряды возвращаются в исходное состояние. В полярных диэлектриках, содержащих дипольные молекулы, воздействие электрического поля вызывает еще и ориентацию диполей в направлении поля.

При отсутствии поля диполи дезориентируются вследствие теплового движения.

Большинство диэлектриков характеризуются линейной зависимостью электрического смещения, т.е. поляризации от напряженности электрического поля, созданного в диэлектрике. Особую группу составляют диэлектрики, в которых с изменением напряженности поля смещение меняется нелинейно, обнаруживая насыщение при некотором значении напряженности поля. Такие диэлектрики называются сегнетоэлектриками. Наименование «сегнетоэлектрик» связано с тем, что нелинейность поляризации впервые была обнаружена у сегнетовой соли. Именно с помощью данного вещества в 1855 французский аптекарь открыл явление электрического старения, выражающееся в уменьшении диэлектрической проницаемости со временем.

11. Поверхностная плотность индуцированных зарядов.

12. Теорема Гаусса для электростатического поля в среде.

т. е. поток вектора смещения электростатического поля в диэлектрике сквозь любую замкнутую поверхность равен алгебраической сумме свободных электрических зарядов, заключенных внутри этой поверхности. В такой форме теорема Гаусса верна для электростатического поля как для однородной и изотропной, так и для неоднородной и анизотропной сред.

Для вакуума Dn = ε0En (ε=1), и поток вектора напряженности Е сквозь произвольно выбранную замкнутую поверхность равен

Так как источниками поля Е в среде являются как свободные, так и связанные заряды, то теорему Гаусса для поля Е в самом общем виде можно записать как

где ∑Qi и ∑Qsv— соответственно алгебраические суммы свободных и связанных зарядов, которые охватываются замкнутой поверхностью S. Но эта формула неприменима для описания поля Е в диэлектрике, поскольку она выражает свойства неизвестного поля Е через связанные заряды, которые, в свою очередь, определяются им же. Это еще раз показывает целесообразность введения вектора электрического смещения.

Напряженность электростатического поля, как следует из ранее полученной формулы E=E0/ε , зависит от свойств среды: в однородной изотропной среде напряженность поля Е обратно пропорциональна ε. Вектор напряженности Е, при переходе через границу диэлектриков, испытывает скачкообразное изменение, тем самым делая неудобства при расчетах электростатических полей. Поэтому необходимо помимо вектора напряженности характеризовать поле еще вектором электрического смещения, который для электрически изотропной среды, по определению, равен

Поскольку ε=1+θ и P=θε0E , вектор электрического смещения равен

Единица электрического смещения — кулон на метр в квадрате (Кл/м2)

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Внесение некоторого вещества в электрическое поле может привести к существенному его изменению; это обусловлено тем, что вещество составляют заряженные частицы. Если внешнее поле отсутствует, распределение частиц вещества происходит таким образом, что электрическое поле, которое они создают, в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. Если внешнее поле присутствует, заряженные частицы перераспределяются, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле E→ включает в себя (согласно принципу суперпозиции) внешнее поле E0→ и внутреннее поле E’→ которое создается заряженными частицами вещества.

Электрические свойства веществ обуславливают их многообразие. Самые широкие классы веществ – это проводники и диэлектрики.

Проводники

Отличительная черта проводников заключается в наличии свободных зарядов (электронов), принимающих участие в тепловом движении и способных осуществлять перемещение по всему объему проводника. Типичным примером проводников служат металлы.

Определение 1

Если внешнее поле отсутствует, то в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд будет компенсироваться положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, который внесен в электрическое поле, произойдет перераспределение свободных зарядов, следствием чего будет возникновение на поверхности проводника нескомпенсированных положительных и отрицательных зарядов (рис. 1.5.1). Описанный процесс носит название электростатической индукции, а возникающие на поверхности проводника заряды называют индукционными зарядами.

Индукционными зарядами создается свое собственное поле E’→ и оно компенсирует внешнее поле E0→ во всем объеме проводника: E→=E0→+E’→=0 (внутри проводника).

Определение 2

Полное электростатическое поле внутри проводника есть нуль, а потенциалы во всех точках являются одинаковыми и равными потенциалу на поверхности проводника.

Рисунок 1.5.1. Электростатическая индукция.

Все внутренние области проводника, который внесен в электрическое поле, остаются электронейтральными. Удаление некоторого объема, выделенного внутри проводника, а соответственно образование пустой полости, приведет к тому, что электрическое поле внутри полости станет равным нулю. На этом основана электростатическая защита – приборы, имеющие чувствительность к электрическому полю в целях исключения влияния поля помещают в металлические ящики (рис. 1.5.2).

Рисунок 1.5.2. Схема электростатической защиты. Поле в металлической полости равно нулю.

Поскольку поверхность проводника эквипотенциальна, необходимо, чтобы силовые линии у поверхности являлись перпендикуляром к ней.

Диэлектрики

Диэлектрики (изоляторы) отличаются от проводников тем, что не имеют свободных электрических зарядов. Диэлектрики включают в себя нейтральные атомы или молекулы. Заряженные частицы в нейтральном атоме являются связанными друг с другом и не имеют способности к перемещению под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

Внесение диэлектрика во внешнее электрическое поле E0→ вызовет возникновение в нем некоторого перераспределения зарядов, которые входят в состав атомов или молекул. Следствием этого перераспределения является появление на поверхности диэлектрического образца избыточных нескомпенсированных связанных зарядов. Все заряженные частицы, которые образуют макроскопические связанные заряды, все так же входят в состав своих атомов.

Определение 3

Связанные заряды образуют электрическое поле E’→ направленное внутри диэлектрика противоположно вектору напряженности E0→ внешнего поля: данный процесс носит название поляризации диэлектрика.

Вследствие поляризации полное электрическое поле E→=E0→+E’→=0 внутри диэлектрика становится по модулю меньше внешнего поля E0→.

Определение 4

Диэлектрическая проницаемость вещества – это физическая величина, которая есть отношение модуля напряженности E0→ внешнего электрического поля, создаваемого в вакууме, к модулю напряженности E→ полного поля в однородном диэлектрике.

ε=E0E.

Известно несколько механизмов поляризации диэлектриков: основные — это ориентационная и электронная поляризации. Проявление этих механизмов происходит в основном при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.

Ориентационная или дипольная поляризация появляется, когда полярные диэлектрики состоят из молекул, у которых имеет место несовпадение центов распределения положительных и отрицательных зарядов. Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи.

Определение 5

Микроскопические электрические диполи – это нейтральная совокупность двух зарядов, являющихся равными по модулю и противоположными по знаку, расположенных на расстоянии друг от друга.

К примеру, дипольный момент имеет молекула воды, а также молекулы некоторых прочих диэлектриков (h3S, NO2 и т. д.).

Когда внешнее электрическое поле отсутствует, оси молекулярных диполей по причине теплового движения имеют хаотичную ориентацию, в связи с чем на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем является равным нулю.

Если внести диэлектрик во внешнее поле E0→, возникнет частичная ориентация молекулярных диполей. Вследствие этого поверхность диэлектрика получит нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле E’→ направленное навстречу внешнему полю E0→ (рис. 1.5.3).

Рисунок 1.5.3. Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика.

Поляризация полярных диэлектриков обладает сильной зависимостью от температуры, поскольку тепловое движение молекул выступает в качестве дезориентирующего фактора.

Электронный или упругий механизм возникает при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не имеют при отсутствии внешнего поля дипольного момента. Электрическое поле, воздействуя на молекулы неполярных диэлектриков, вызывает их деформацию – положительные заряды смещаются в направлении вектора E0→ а отрицательные – в противоположном направлении. В итоге каждая молекула становится электрическим диполем, ось которого имеет направление вдоль внешнего поля. Поверхность диэлектрика получает нескомпенсированные связанные заряды, которые создают свое поле E’→ имеющее направление навстречу внешнему полю E0→ Таким образом происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 1.5.4).

Деформация неполярных молекул, испытывающих влияние внешнего электрического поля, не имеет зависимости от теплового движения, т.е. поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры.

Пример 1

В качестве примера неполярной молекулы можно рассмотреть молекулу метана Ch5, в которой четырехкратно ионизированный ион углерода C4– расположен в центре правильной пирамиды; в вершинах этой пирамиды — ионы водорода H+. Наложение внешнего электрического поля вызовет смещение иона углерода из центра пирамиды: в этом случае у молекулы возникнет дипольный момент, пропорциональный внешнему полю.

Рисунок 1.5.4. Поляризация неполярного диэлектрика.

В электрическом поле E’→ связанных зарядов, которое возникает при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, происходит его изменение по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля E0→. В электрических полях значительной силы указанная закономерность может нарушаться: в таком случае получают проявление различные нелинейные эффекты. Для полярных диэлектриков в сильных полях возможно наблюдать эффект насыщения.

Определение 6

Эффект насыщения – это выстраивание всех молекулярных диполей вдоль силовых линий.

Когда диэлектрики неполярны, сильное внешнее поле, которое можно сравнить по модулю с внутриатомным полем, имеет возможность значимо деформировать атомы или молекулы вещества с изменением их электрических свойств. Но подобные явления почти никогда не наблюдаются, поскольку для этого необходимы поля, имеющие напряженность порядка 1010–1012 В/м. При этом гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.

Определение 7

Электронная поляризация – это процесс поляризации, при котором непарные молекулы получают деформацию электронных оболочек.

Этот механизм универсален, так как деформация электронных оболочек под влиянием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика.

Определение 8

Ионная поляризация – это поляризация твердых кристаллических диэлектриков, следствием которой является смещение ионов различных знаков, составляющих кристаллическую решетку, в противоположных направлениях при воздействии внешнего поля. В результате смещения на гранях кристалла образуются связанные (нескомпенсированные) заряды.

Пример 2

В качестве примера описанного механизма, можно рассмотреть поляризацию кристалла NaCl, в котором ионы Na+ и Cl– составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. При отсутствии внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла NaCl является электронейтральной и не обладающей дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки сместятся в противоположных направлениях, т. е. кристалл подвергнется процессу поляризации.

Когда происходит процесс поляризации неоднородного диэлектрика, связанные заряды могут появиться не только на поверхности, но и в объеме диэлектрика. В таком случае электрическое поле E’→ связанных зарядов и полное поле E→ будут обладать сложной структурой, зависящей от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле _formula_ в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем E→ точно верно лишь, когда речь идет об однородном диэлектрике, который заполняет все пространство, где создано внешнее поле. В частности:

Определение 9

В случае, когда в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд Q, напряженность электрического поля E→ этого точечного заряда и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме. Запишем данное утверждение в виде формул:

E→=14πε0·Qεr3r→, φ=14πε0Qεr.

Решение задач от 1 дня / от 150 р. Курсовая работа от 5 дней / от 1800 р. Реферат от 1 дня / от 700 р.

Электрические поля в материи — Nexus Wiki

Что мы подразумеваем под «полями в материи»?

В наших предыдущих обсуждениях мы определили электрическое поле и электрический потенциал, ощущаемый пробным зарядом, рассматривая все другие заряды и суммируя их влияние на пробный заряд. Это требует идентификации всех заряженных частиц. Но на самом деле это взгляд на «частицы и заряды в вакууме», потому что если поблизости есть какая-либо другая материя (под материей мы подразумеваем любой вид атомов или молекул), она содержит как положительные заряды, так и отрицательные заряды (электроны), которые будут влиять на электрическое поле. и электрический потенциал, ощущаемый пробным зарядом. Большая часть биологии происходит внутри сложной материи, часто в жидкости, поэтому очень важно узнать, как окружающая материя и ее положительные и отрицательные заряды влияют на электрические поля и потенциалы, воспринимаемые пробным зарядом.

Давайте начнем с одного важного предостережения относительно полей и потенциалов в материи: электрическое поле и потенциал становятся действительно сложными, когда мы приближаемся к атомному масштабу! Поскольку силы и поля увеличиваются с уменьшением расстояния между зарядами, очень близко к любому заряду в материале поле становится огромным и сложным. Эта трудность определения свойства не нова при нашем подходе к электрическим силам и энергиям. У нас есть аналогичный опыт с такими величинами, как температура, pH и химическая концентрация. На молекулярном уровне (в нанометровом масштабе) эти величины сильно колеблются в зависимости от того, попадает ли молекула в крошечный объем, который мы рассматриваем. Но если мы говорим не об отдельных молекулах, а о более крупных структурах, таких как, например, мембран в масштабе сотен нанометров или pH митохондрий, объем, который мы могли бы рассмотреть, будет содержать тысячи атомов. В этом масштабе мы можем легко определить температуру или концентрацию. И в этом масштабе мы также условимся определять электрическое поле и электрический потенциал. Но то, что мы подразумеваем под ними, является своего рода сглаженным средним. Истинное электрическое поле или потенциал в молекулярном масштабе так же трудно описать, как и температуру в этом масштабе.

Используя нашу игрушечную модель

В некоторых из наших предыдущих чтений (   Простая электрическая модель: слой заряда, конденсатор) мы сделали «игрушечную модель» системы множества электрических зарядов, разбросанных по поверхность. Учитывая эффект каждого отдельного заряда, это был бы ужасный беспорядок. Нам пришлось бы сложить огромное количество отдельных векторов, каждый со своей величиной и направлением, и у нас действительно не было бы возможности говорить о результате.

Вместо этого мы рассмотрели простую модель, в которой наши заряды считались не отдельными частицами, а гладким распределением, равномерно распределенным по бесконечному плоскому листу. Мы могли бы (достаточно) легко показать, что поле вблизи такого листа было постоянным и перпендикулярным этому листу, и, немного вычислив, мы могли вычислить напряженность поля, которая, как оказалось, зависела только от плотности заряда на листе. Кроме того, мы вычислили как раз вместо , такая игрушечная модель была бы разумной: если бы рядом не было края слишком близко и пока мы не были бы так близко к листу, что мы могли бы видеть эффект отдельных дискретные заряды.

Эта модель идеально подходит для того, чтобы помочь нам понять общее влияние электрического поля на материю, увидеть среднее воздействие и определить параметры для его описания. Начнем с простейшего случая: что произойдет, если мы поместим проводник (скажем, кусок металла) в электрическое поле.

Поля в проводнике

В материи вообще заряды могут или не могут свободно перемещаться. (Обсуждение см. в разделе « Поляризация» .) Если в материи есть заряды, которые могут достаточно свободно перемещаться через все тело материала, это называется 9.0012 проводник . Два примера: (1) металл, в котором подвижными зарядами являются электроны, распределенные между плотной упаковкой ионов (2) ионная жидкость, в которой подвижными зарядами являются ионы, например Na ⁺ и Cl ^— в виде солевого раствора. В «нейтральном» металле или жидкости баланс положительных и отрицательных зарядов.

Рассмотрите вариант размещения блока проводящего вещества между пластинами конденсатора, состоящего из двух бесконечных пластин с одинаковой и противоположной поверхностной плотностью заряда (внимание, игрушечная модель!), как показано на рисунках ниже. Слева мы показываем конденсатор до того, как в него вставили блок, и справа, как он выглядит через мгновение после этого.

Когда мы поместим проводник между пластинами, электрическое поле от двух пластин будет присутствовать повсюду внутри проводника. В частности, он будет присутствовать в местах расположения подвижных зарядов внутри проводника. Предположительно, до того, как он был помещен между пластинами, силы на каждом из подвижных зарядов в проводнике были уравновешены. Теперь, с добавлением полей от обкладок конденсатора, силы больше не уравновешиваются. Электроны (при условии, что это металлический блок) будут двигаться против электрического поля, притягиваясь к положительной пластине конденсатора и отталкиваясь от отрицательной пластины конденсатора.

В результате слой электронов начнет формироваться на стороне проводника, ближайшей к положительной пластине, оставив слой несбалансированных ионов на стороне проводника, ближайшей к отрицательной пластине: что-то вроде того, как показано на рисунке право.

Обратите внимание на слабые красные (розовые) заряды, формирующиеся слева от проводника, и слабые синие (бирюзовые) заряды, формирующиеся справа от проводника. Они создают два новых слоя заряда, противоположных слоям конденсатора.

Эти листы также будут создавать электрическое поле в проводнике, но в направлении, противоположном исходным листам. Это уменьшит общее поле внутри проводника, но пластины конденсатора все равно будут побеждать и по-прежнему будут перемещать заряды до тех пор, пока слои неуравновешенного заряда, накопившиеся на поверхности проводника, не будут РАВНЫ по плотности заряда зарядам на обкладках конденсатора как показано справа.

Тогда поле внутри проводника уменьшится до нуля и движение зарядов прекратится. Внутри проводника поля не будет. Это дает нам наш первый опорный результат:

Электрическое поле внутри тела статического проводника (без движущихся зарядов) равно нулю.

Мы включаем ограничение «статический», поскольку, если заряды движутся по проводнику — например, когда электрический ток все еще течет, у нас может быть электрическое поле.

Поскольку изменение потенциала между двумя точками представляет собой интеграл электрического поля, умноженный на расстояние, если внутри проводника нет поля, не может быть изменения потенциала от одной точки проводника к другой. Это дает нам второй важный результат:

Все тело статического проводника (по нему не проходят заряды) имеет одинаковый потенциал.

Мы можем увидеть, что произойдет с емкостью конденсатора, если мы поместим в него блок проводника. Поскольку разность потенциалов является интегралом поля E, умноженного на расстояние ($ΔV = E \times d$, если поле постоянно, как в нашей игрушечной модели), если часть расстояния теперь имеет нулевое электрическое поле, это больше не вносит вклад в разность потенциалов. Если наш проводник имеет толщину $d_c$, то поле E будет только на расстоянии $d — d_c$, поэтому емкость теперь станет больше — мы можем хранить больше разделения зарядов при меньших затратах напряжения:

$$C= \frac{k_CA}{d-d_c}$$

Поля в изоляторе: диэлектрическая проницаемость немного, но не свободно — по сути (еще одно предупреждение об игрушечной модели!) мы можем думать о зарядах как о привязанных к своим контрзарядам.

Полярная молекула может быть переориентирована, или заряды на молекуле могут немного разойтись. Эффект заключается в уменьшении среднего поля E в материале, поскольку заряды могут немного двигаться, противодействуя электрическому полю, но они больше не могут двигаться, противодействуя электрическому полю, до тех пор, пока поле не станет равным 0. какое электрическое поле может быть уменьшено, зависит от деталей свойств материала. Уменьшение поля можно измерить, определив, насколько падает напряжение в конденсаторе, когда вы вставляете в него блок материала. Подобно обсуждению выше, уменьшение электрического поля в материале приводит к увеличению емкости конденсатора. конденсатор, заполненный материалом.

Мы определяем коэффициент, на который среднее поле уменьшается в данном материале, как диэлектрическую проницаемость этого материала, $κ$ (каппа).

$$E_{\mathrm{внутри\;материал}} = \frac{1}{\kappa} E_{\mathrm{если\;никакого\;материала\;не было\;там}}$$

Из Конечно, это относится к среднему полю E, измеренному путем рассмотрения полного изменения разности потенциалов. «Настоящее» поле E будет сильно колебаться в атомном масштабе.

Подробнее см. на страницах конденсатор и диэлектрическая проницаемость

Условное предупреждение! Постоянная Кулона $k_C$ иногда записывается как $k_C=1/4πε_0$. Тогда комбинация $κε_0$ иногда определяется как $ε=κε_0$. Закон Кулона для электрического поля внешнего заряда внутри вещества можно записать так же, как и в свободном пространстве, но с ε в константе Кулона вместо $ε_0$. Эта форма включает эффекты поляризации среды. Однако обратите внимание, что в некоторых учебниках по химии и биологии «$ε$» используется для обозначения «$κ$». Это вводит в заблуждение, поскольку символы «$ε$» и «$ε_0$», которые появляются в одном и том же контексте, имеют разные единицы измерения. Вы часто видите, что такие вещи, как $εε_0$ в одном уравнении, означают $κε_0$. Тогда очень трудно держать юниты прямо.

Стоимость игрушечной модели

Что мы узнаем из нашей игрушечной модели? Глядя на все выводы, выделенные курсивом выше, совсем немного. Самое главное, мы узнали вещи, которые верны во многих случаях, например тот факт, что поле внутри проводника исчезает, как только заряды перестают течь. В то время как анализ применяет нашу игрушечную модель как способ мышления об однородном поле, определения, которые мы разработали, например, для диэлектрическая проницаемость будет работать даже на коротких расстояниях, когда силы НЕ однородны (во всяком случае, до микрометров).

Принцип, согласно которому проводник находится под постоянным потенциалом, оказывается верным, даже если в проводнике есть ток, если проводник имеет сопротивление 0. Это очень ценный инструмент (эвристика) при решении задач с электрическими цепями . (См. принципы Кирхгофа и последующие примеры.)

Джо Редиш 22.02.12, Вольфганг Лосерт 04.03.13

Что такое электростатическое поле? – Определение TechTarget

К

• Роберт Шелдон

Что такое электростатическое поле?

Когда два объекта в непосредственной близости друг от друга имеют разные электрические заряды, между ними существует электростатическое поле. Электростатическое поле также образуется вокруг любого отдельного объекта, электрически заряженного по отношению к окружающей среде.

Электростатические поля образуются в результате статического электричества, присущего некоторым атомным частицам. Большинство атомов состоят из трех основных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны образуют ядро, а электроны вращаются вокруг ядра, обычно на значительном расстоянии от ядра и друг от друга относительно размера атома.

Электростатическое поле позволяет протонам и электронам взаимодействовать с другими частицами.

Протоны и электроны имеют измеримый электростатический заряд. Нейтронов нет. Величина электростатического заряда одинакова как для протонов, так и для электронов. Заряд протона считается положительным (+), а заряд электрона считается отрицательным (-). Положительные и отрицательные обозначения несколько произвольны, но они общеприняты в научном сообществе, так что это условность. обычно используется для описания состояния заряда частицы по отношению к другой частице.

Из-за этого заряда каждый протон и электрон создают электростатическое поле, которое может взаимодействовать с другими частицами. Это поле заставляет частицы с разным зарядом притягиваться друг к другу, а частицы с одинаковым зарядом отталкивать друг друга. В результате протоны и электроны притягиваются друг к другу, но протоны отталкивают другие протоны, а электроны отталкивают другие электроны. Причина, по которой протоны могут так тесно связываться в ядре с другими протонами, заключается в сильном ядерном взаимодействии, которое подавляет электростатические силы отталкивания и удерживает протоны вместе.

Заряженные объекты и их электростатические поля

Большинство атомов имеют одинаковое количество протонов и электронов, поэтому их электростатические заряды уравновешивают друг друга, и говорят, что атом нейтрален. Однако электроны могут двигаться гораздо более свободно, чем протоны, что позволяет атому терять или приобретать электроны в зависимости от типа атома и электростатического поля, создаваемого частицами.

Движение электронов может привести к дисбалансу между количеством протонов и электронов в атоме, в результате чего атом будет находиться в заряженном состоянии. Если протонов больше, чем электронов, атом заряжен положительно. Если электронов больше, чем протонов, атом заряжен отрицательно. Заряженный атом, отрицательный или положительный, образует электростатическое поле, которое может взаимодействовать с другими атомами.

Поскольку атомы являются строительными блоками для всех объектов, целые объекты могут заряжаться и образовывать электростатические поля. Подобно атому, объект заряжен отрицательно, если он имеет избыток электронов по отношению к своему окружению, и положительно заряжен, если электронов не хватает. Считается, что объект находится в нейтральном состоянии — без заряда — если количество протонов и электронов достаточно сбалансировано.

Если два объекта имеют разное состояние заряда и находятся в относительной близости друг к другу, они образуют электростатическое поле, сила которого зависит от количества кумулятивного заряда в каждом объекте и расстояния между ними. Если два объекта имеют одинаковые состояния заряда и находятся в непосредственной близости друг от друга, каждый из них образует свои собственные электростатические поля, которые отталкивают друг друга. Как и в случае противоположных состояний заряда, сила отталкивающей силы зависит от количества заряда в каждом объекте и расстояния между ними.

Большинство объектов находятся в нейтральном состоянии, но они могут заряжаться, когда различные материалы вступают в контакт друг с другом таким образом, что электроны перескакивают с одного объекта на другой. Например, если вы потрете надутый воздушный шар об одежду, электроны переместятся с одежды на поверхность воздушного шара, в результате чего воздушный шар приобретет отрицательный заряд. Если вы затем прикрепите воздушный шар к стене, он будет висеть там, потому что стена заряжена более положительно. Между баллоном и стенкой образуется электростатическое поле, вызывающее притяжение между ними.

Электростатические поля и магнитные поля

Электростатические поля имеют некоторое сходство с магнитными полями. Объекты притягиваются, если их заряды противоположной полярности (+/-), и отталкиваются, если их заряды имеют одинаковую полярность (+/+ или -/-). Линии электростатического потока вблизи пары противоположно заряженных объектов подобны линиям магнитного потока между и вокруг пары противоположных магнитных полюсов.

В остальном электростатические и магнитные поля различаются. Электростатические поля блокируются металлическими предметами, в то время как магнитные поля могут проходить через большинство, но не через все металлы. Электростатические поля возникают из-за разности потенциалов или градиента напряжения и могут существовать, когда носители заряда, такие как электроны, неподвижны.0012 статический в электростатический . Магнитные поля возникают из-за движения носителей заряда, то есть из-за протекания тока.

Когда носители заряда ускоряются, а не движутся с постоянной скоростью, создается флуктуирующее магнитное поле. Это порождает флуктуирующее электрическое поле, которое, в свою очередь, создает другое переменное магнитное поле. Результатом является эффект «чехарды», при котором оба поля могут распространяться на огромные расстояния в пространстве. Такое синергетическое поле известно как электромагнитное поле и представляет собой явление, которое делает возможными системы беспроводной связи, вещания и управления.

См. также: диэлектрический материал, напряженность электрического поля, вещество .

Последнее обновление: декабрь 2022 г.

Продолжить чтение Об электростатическом поле

• Основы Интернета вещей: руководство для начинающих

• RFID и штрих-коды в цепочке поставок: что лучше использовать?

• Что такое 6G? Обзор сетей и технологий 6G

• После Oldsmar: насколько уязвима критическая инфраструктура США?

• Обзор Microsoft Project Silica и его использование в архиве

словарь данных

Словарь данных — это набор описаний объектов данных или элементов в модели данных, на которые могут ссылаться программисты и другие лица.

Сеть

• доступность сети

  Доступность сети — это время безотказной работы сетевой системы в течение определенного интервала времени.

• NFV MANO (управление и оркестрация виртуализации сетевых функций)

  NFV MANO (управление виртуализацией и оркестровкой сетевых функций), также называемый MANO, представляет собой архитектурную основу для …

• Сетевой коммутатор

  Сетевой коммутатор соединяет устройства в сети друг с другом, позволяя им общаться путем обмена пакетами данных.

Безопасность

• GPS-глушение

  Подавление сигналов GPS — это действие устройства, передающего частоту, для блокирования или создания помех радиосвязи.

• контрольная сумма

  Контрольная сумма — это значение, представляющее количество битов в передаваемом сообщении и используемое ИТ-специалистами для обнаружения. ..

• информация о безопасности и управление событиями (SIEM)

  Управление информацией о безопасности и событиями (SIEM) — это подход к управлению безопасностью, объединяющий информацию о безопасности …

ИТ-директор

• доказательство концепции (POC)

  Доказательство концепции (POC) — это упражнение, в котором работа сосредоточена на определении того, можно ли превратить идею в реальность.

• зеленые ИТ (зеленые информационные технологии)

  Green IT (зеленые информационные технологии) — это практика создания и использования экологически устойчивых вычислений.

• ориентир

  Контрольный показатель — это стандарт или точка отсчета, которые люди могут использовать для измерения чего-либо еще.

HRSoftware

• самообслуживание сотрудников (ESS)

  Самообслуживание сотрудников (ESS) — это широко используемая технология управления персоналом, которая позволяет сотрудникам выполнять множество связанных с работой .