Диэлектрики в электрическом поле ведут себя согласно своему внутреннему строению. Их еще называют непроводниками, поскольку, как известно, они представляют собой вещества, не проводящие практически электрический ток. В них не содержатся свободные носители заряда, которые были бы способны перемещаться внутри данного диэлектрика. Молекула - это мельчайшая частица вещества, которая сохраняет его химические свойства. Она же, в свою очередь, сама состоит из атомов с положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами. Молекулы в целом являются нейтральными. Как гласит теория ковалентных связей, образованные в них одна или несколько пар электронов, становясь для соединяющихся атомов общими, обеспечивают устойчивость молекул. Для каждого из типа зарядов - положительных (ядер) и отрицательных (электронов) – существует точка, которая как бы является для них «центром тяжести» (электрическим). Эти точки получили название полюсов молекулы. В случае совпадения в молекуле электрических центров тяжести разноименных зарядов: положительных и отрицательных - она будет неполярной (не имеющей дипольного момента). Строение молекулы может быть несимметричным, скажем, в ней может быть два разнородных атома, тогда в некоторой степени должно произойти смещение общей пары электронов по направлению одного из атомов. Понятно, что в этом случае неравномерное распределение разноименных зарядов (положительных и отрицательных) внутри молекулы приведет к несовпадению их электрических центров тяжести. Полученную молекулу называют полярной или обладающей дипольным моментом. Основным свойством диэлектриков является их способность к поляризации.Диэлектрики в электрическом поле поляризуются. Это означает, что в их атомах электроны начинают двигаться по вытянутым орбитам. В итоге одни их поверхности оказывается отрицательно заряженными, другие – положительно. Таким образом возникает электрическое поле в диэлектриках, которое, соответственно, называют внутренним. То есть на диэлектрики одновременно воздействуют электрические поля (внешнее и внутреннее), которые при этом противоположно направлены. Результирующее электрическое поле имеет напряженность, равную разности напряженностей большего и меньшего из полей. Надо отметить, что напряженность поля в диэлектрике, независимо от его вида, всегда меньше, чем напряженность электрического внешнего поля, которое вызвало его поляризацию. Интенсивность поляризации находится в прямо пропорциональной зависимости от диэлектрической проницаемости диэлектрика. Чем она меньше, тем менее интенсивно происходит в диэлектрике поляризация и тем сильнее в нем электрическое поле. Заряды появляются не только на поверхности, но и на концах диэлектрика, но их переход при контакте с электродом невозможен, поскольку непроводник притягивается к электроду кулоновскими силами. Диэлектрики в электрическом поле, если оно сильное и его напряженность возможно увеличивать, при определенных значениях напряженности начнут пробиваться, то есть от атома начнут отрываться электроны. Это приведет к процессу ионизации диэлектриков, вследствие чего они станут проводниками. Величину напряженности внешнего поля, которая приводит к пробою диэлектрика, называют ее пробивной напряженностью. А соответствующее предельное напряжение, при котором диэлектрик пробивается – напряжением пробоя. Известно еще одно название предельного напряжения – электрическая прочность диэлектрика. Необходимо заметить, что только диэлектрики в электрическом поле имеют внутреннее поле, которого в основном исчезает, если снимается внешнее. fb.ru В отличие от проводников, в диэлектриках нет свободных зарядов. Все заряды являются связанными: электроны принадлежат своим атомам, а ионы твёрдых диэлектриков колеблются вблизи узлов кристаллической решётки. Соответственно, при помещении диэлектрика в электрическое поле не возникает направленного движения зарядов7. Поэтому для диэлектриков не проходят наши доказательства свойств проводников ведь все эти рассуждения опирались на возможность появления тока. И действительно, ни одно из четырёх свойств проводников, сформулированных в предыдущей статье, не распростаняется на диэлектрики. 1.Напряжённость электрического поля внутри диэлектрика может быть не равна нулю. 2.Объёмная плотность заряда в диэлектрике может быть отличной от нуля. 3.Линии напряжённости могут быть не перпендикулярны поверхности диэлектрика. 4.Различные точки диэлектрика могут иметь разный потенциал. Стало быть, говорить о ¾потенциале диэлектрика¿ не приходится. Но тем не менее, одно важнейшее общее свойство у диэлектриков имеется, и вам оно известно (вспомните формулу напряжённости поля точечного заряда в диэлектрике!). Напряжённость поля уменьшается внутри диэлектрика в некоторое число " раз по сравнению с вакуумом. Величина " даётся в таблицах и называется диэлектрической проницаемостью диэлектрика. Давайте разберёмся, каковы причины ослабления поля в диэлектрике. Рассмотрим диэлектрик, помещённый во внешнее однородное (для простоты) поле E0. Опыт показывает, что на противоположных поверхностях диэлектрика появляются заряды разных знаков. + + Ei + E + + E0 + E0 + + + + + + Рис. 27. Ослабление поля внутри диэлектрика Эти индуцированные заряды расположены так, что создаваемое ими поле Ei внутри диэлектрика направлено против внешнего поля E0 (рис.27, слева). При этом Ei < E0, так что внешнее поле ослабляется лишь частично (а не гасится полностью, как внутри проводника). Результирующее поле внутри диэлектрика равно: E = E0 Ei: 7Впрочем, в достаточно сильном электрическом поле может случиться пробой диэлектрика (пример молния во время грозы). Подобное явление мы изучим позже, при рассмотрении электрического тока в газах. studfiles.net Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле Вещество многообразно по своим электрическим свойствам. Наиболее широкие классы вещества составляют проводники и диэлектрики. Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. Типичные проводники – металлы. В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают не скомпенсированные положительные и отрицательные заряды (рис. 1.5.1). Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами. Индукционные заряды создают свое собственное поле (внутри проводника). Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника. Рисунок 1.5.1. Электростатическая индукция Все внутренние области проводника, внесенного в электрическое поле, остаются электронейтральными. Если удалить некоторый объем, выделенный внутри проводника, и образовать пустую полость, то электрическое поле внутри полости будет равно нулю. На этом основана электростатическая защита – чувствительные к электрическому полю приборы для исключения влияния поля помещают в металлические ящики (рис. 1.5.2). Рисунок 1.5.2. Электростатическая защита. Поле в металлической полости равно нулю Так как поверхность проводника является эквипотенциальной, силовые линии у поверхности должны быть перпендикулярны к ней. В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика. При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле Связанные заряды создают электрическое поле Физическая величина, равная отношению модуля напряженности Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная и электронная поляризации. Эти механизмы проявляются главным образом при поляризации газообразных и жидких диэлектриков. Ориентационная или дипольная поляризация возникает в случае полярных диэлектриков, состоящих из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи – нейтральную совокупность двух зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Дипольным моментом обладает, например, молекула воды, а также молекулы ряда других диэлектриков (h3S, NO2 и т. д.). При отсутствии внешнего электрического поля оси молекулярных диполей из-за теплового движения ориентированы хаотично, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем равен нулю. При внесении диэлектрика во внешнее поле Рисунок 1.5.3. Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика Поляризация полярных диэлектриков сильно зависит от температуры, так как тепловое движение молекул играет роль дезориентирующего фактора. Электронный или упругий механизм проявляется при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не обладают в отсутствие внешнего поля дипольным моментом. Под действием электрического поля молекулы неполярных диэлектриков деформируются – положительные заряды смещаются в направлении вектора Деформация неполярных молекул под действием внешнего электрического поля не зависит от их теплового движения, поэтому поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры. Примером неполярной молекулы может служить молекула метана Ch5. У этой молекулы четырехкратно ионизированный ион углерода C4– располагается в центре правильной пирамиды, в вершинах которой находятся ионы водорода H+. При наложении внешнего электрического поля ион углерода смещается из центра пирамиды, и у молекулы возникает дипольный момент, пропорциональный внешнему полю. Рисунок 1.5.4. Поляризация неполярного диэлектрика Электрическое поле У многих неполярных молекул при поляризации деформируются электронные оболочки, поэтому этот механизм получил название электронной поляризации. Этот механизм является универсальным, поскольку деформация электронных оболочек под действием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика. В случае твердых кристаллических диэлектриков наблюдается так называемая ионная поляризация, при которой ионы разных знаков, составляющие кристаллическую решетку, при наложении внешнего поля смещаются в противоположных направлениях, вследствие чего на гранях кристалла появляются связанные (нескомпенсированные) заряды. Примером такого механизма может служить поляризация кристалла NaCl, в котором ионы Na+ и Cl– составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. В отсутствие внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла NaCl (см. Часть I § 3.6 ) электронейтральна и не обладает дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки смещаются в противоположных направлениях, т. е. кристалл поляризуется. При поляризации неоднородного диэлектрика связанные заряды могут возникать не только на поверхностях, но и в объеме диэлектрика. В этом случае электрическое поле Если в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд Q, то напряженность поля www.its-physics.org Проводники в электрическом поле.Проводники — это вещества, характеризующиеся наличием в них большого количества свободных носителей зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля. К проводникам относятся металлы, электролиты, уголь. В металлах носителями свободных зарядов являются электроны внешних оболочек атомов, которые при взаимодействии атомов полностью утрачивают связи со «своими» атомами и становятся собственностью всего проводника в целом. Свободные электроны участвуют в тепловом движении подобно молекулам газа и могут перемещаться по металлу в любом направлении. В металлическом теле (рис. 1.4) под действием внешнего электрического поля, имеющего напряженность Е, свободные электроны перемещаются навстречу линиям напряженности. Явление разделения зарядов проводника внешним электрическим полем называется электростатической индукцией. В результате разделения зарядов в проводнике создается внутреннее электрическое поле с напряженностью Ев, направленное противоположно внешнему. Под действием поля смещается только часть электронов проводника, необходимая для создания Ев, уравновешивающего Е. Если бы результирующая напряженность поля внутри проводника была больше нуля, продолжалось бы разделение зарядов под ее действием. Внутри проводника электрическое поле отсутствует. Это свойство на практике используется для электростатического экранирования, т. е. защиты какого-либо устройства, например измерительного механизма прибора, от влияния внешних электрических полей. Прибор помещают в металлический кожух, называемый экраном. Диэлектрикив электрическом поле.В диэлектриках практически отсутствуют свободные носители зарядов. Все носители зарядов диэлектриков входят в состав их молекул, связаны между собой и под действием внешнего поля могут смещаться лишь на очень малые расстояния: в пределах молекулы или атома. Многие диэлектрики имеют полярные молекулы. При электрической нейтральности молекулы в целом ее положительный и отрицательный заряды расположены асимметрично, что позволяет представить полярные молекулы так называемыми электрическими диполями, т. е. как пару разноименных зарядов, находящихся на небольшом расстоянии друг от друга. При отсутствии внешнего поля молекулы диэлектрика ориентированы произвольно. Во внешнем поле (рис. 1.5) Рис. 1.5 на каждый диполь действуют две силы, стремящиеся его повернуть. Смещение зарядов или ориентация диполей под действием электрического поля называется поляризацией диэлектрика. Результатом поляризации диэлектрика является образование в нем собственного электрического поля, направленного встречно внешнему (рис. 1.5.) Диэлектрик ослабляет электрическое поле. Величина, показывающая, во сколько раз уменьшится напряженность поля, если вместо вакуума применить диэлектрик, называется относительнойдиэлектрической проницаемостью ε. Диэлектрическая проницаемость — одна из важнейших характеристик диэлектриков. Ее значения для различных материалов приводятся в справочниках. Так, для слюды ε = 4—6, фарфора 5—7,5, бумаги 2—3, стекла 5,5—10, воздуха 1 и т. д. Под действием электрического поля в диэлектрике наблюдается рассеяние части энергии поля, которая превращается в теплоту. Значение этой энергии в единицу времени (мощность) принято называть диэлектрическими потерями. Диэлектрические потери в постоянном электрическом поле обусловлены протекающим через диэлектрик током (в реальном диэлектрике всегда содержится небольшое количество свободных носителей зарядов, создающих ток). В переменном поле к ним добавляются потери, связанные с поляризацией диэлектрика. Диэлектрические потери вызывают нагрев изоляционных конструкций электроустановок и ухудшают условия их работы. С другой стороны, нагревание некоторых веществ за счет диэлектрических потерь используется для их сушки или ускорения химических реакций. Диэлектрики сохраняют свои электроизоляционные свойства до определенных значений напряженности поля. При испытаниях диэлектриков, повышая напряженность электрического поля, достигают таких ее значений, при которых наступает пробой диэлектрика (разрушение его действием сильного электрического поля). Напряженность поля, при которой наступает пробой диэлектрика, называется пробивной напряженностью Еприли электрической прочностью диэлектрика, а напряжение при пробое — пробивным напряжением Uпр.. Электрическая прочность — основное свойство диэлектриков. Электрическая прочность воздуха в Рабочие напряженности диэлектриков принимают в несколько раз (например, в 3 раза) меньше их электрической прочности исходя из требований надежности. Электроизоляционные материалы.Отдельные части электрических устройств, имеющие разные потенциалы (провода электрических линий, обмотки трансформаторов, полюсы генераторов и т. д.) изолируются друг от друга и от земли специальными материалами, которые называются электроизоляционными. В качестве электроизоляционных материалов применяются газообразные, жидкие и твердые диэлектрики. Из газообразных диэлектриков наибольшее значение имеет воздух, обладающий малыми электропроводностью и диэлектрическими потерями. Однако электрическая прочность воздуха значительно ниже, чем у большинства жидких и твердых диэлектриков. Жидкие диэлектрики (нефтяные масла, синтетические жидкости) имеют хорошие электроизоляционные свойства, с их помощью осуществляется гашение дуги в высоковольтных выключателях и охлаждение маслонаполненных аппаратов (за счет циркуляции масла). Недостатком жидких диэлектриков является резкое снижение электроизоляционных свойств при увлажнении и загрязнении. волокнистые электроизоляционные материалы (ткань, стеклоткань, картон, бумага и др.) — для электроизоляции проводов, кабелей, электрических машин, аппаратов, при производстве лакотканей, гибких трубок, слоистых пластиков и т. д.; слюду и слюдяные изделия — как основной диэлектрик конденсаторов и межэлектродной изоляции в электронных лампах, а также для изоляции электрических машин резину — для электроизоляции проводов и кабелей, изготовления гибких трубок, прокладок; пластмассы — для изготовления фасонных деталей и узлов, требующих сочетания хороших электрических и механических свойств, электрических аппаратов и приборов, мелких электрических машин и трансформаторов; керамические материалы — для изготовления высоковольтных изоляторов, конденсаторов, каркасов катушек, штепсельных разъемов. Особую группу твердых диэлектриков составляют сегнетоэлектрики и электреты. Сегнетоэлектрики (сегнетовая соль, титанат бария) в отличие от обычных диэлектриков обладают способностью самопроизвольно (без внешнего электрического поля) поляризоваться. Они имеют сильную зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности поля, давления и температуры, а также большие значения относительной диэлектрической проницаемости. Электреты интересны тем, что способны длительное время находиться в наэлектризованном состоянии после снятия внешнего воздействия, вызвавшего поляризацию. Они являются электрическими аналогами постоянных магнитов. Электреты получают из восков и смол, полимеров, неорганических диэлектриков, охлаждая их в сильном электрическом поле (термоэлектреты) или облучая светом фотопроводящие диэлектрики в сильном электрическом поле (фотоэлектреты). Применяются электреты в качестве источников постоянного электрического поля в технике связи (микрофоны и телефоны), как чувствительные датчики в дозиметрии, как пьезодатчики и т. д КОНДЕНСАТОРЫ Электрические конденсаторы предназначены для создания электрического поля и хранения его энергии. Конденсатор можно сравнить с газовым баллоном. Баллон заполняется газом под давлением, а конденсатор заряжается под действием напряжения (рис. 1.7). Рис. 1.6 Рис. 1.7 Чем больше напряжение, тем больше заряд конденсатора, поэтому «вместимость» конденсатора оценивается не зарядом, а отношением q/U, которое называется емкостью конденсатора: C = q/U. (1.6) Изменение напряжения влечет за собой прямо пропорциональное изменение заряда конденсатора, поэтому емкость конденсатора от напряжения не зависит. Емкость конденсатора численно равна заряду при напряжении один вольт (1). Единица емкости — фарад (Ф). На практике поль C = εε0S/d, (1.7) где S — площадь обкладок; d — расстояние между обкладками. Для создания конденсаторов большой емкости применяют диэлектрики с большой диэлектрической проницаемостью ε. Следует отметить, что емкостью обладают не только конденсаторы, но и другие элементы электрических устройств, на которых накапливается электрический заряд (провода электрических линий, электроды электронных ламп и др.). Однако нередко емкостью этих устройств принебрегают. При зарядке конденсатора (рис. 1.7) по проводникам, которыми подключены его обкладки к источнику напряжения, протекает электрический ток. После зарядки ток отсутствует. Почему? Поступающие в процессе зарядки на обкладки конденсатора заряды отталкивают от себя одноименные вновь прибывающие заряды, т. е. оказывают им противодействие. Возрастающее при зарядке напряжение конденсатора Uc направлено встречно току и стремится уравновесить действие напряжения источника U {2). Зарядка конденсатора продолжается до тех пор, пока Uc < U, и прекращается при U=Uс (действие равно противодействию). Источник напряжения, доставляя заряды на обкладки конденсатора (рис. 1.7), производит работу, значение которой определяется из формулы (1.4): A = Uq. Эта работа численно равна площади графика q(U) (рис. 1.8). Зависимость заряда q на обкладках конденсатора от напряжения U имеет вид, показанный на рис. 1.9. Площадь графика этой зависимости (по аналогии с рис. 1.8) численно равна энергии электрического поля конденсатора Wэ, которая может быть определена как площадь прямоугольного треугольника: Wэ = qU/2. (1.8) На создание электрического поля конденсатора расходуется только половина работы источника A = qU. Вторая половина этой работы расходуется на нагрев проводов, по которым заряды проходят на обкладки конденсатора. Из формулы (1.6) q = CU. Подставив это выражение в (1.8), получаем еще одну формулу для энергии конденсатора: W3 = CU2/2. (1.9) Во многих случаях для получения нужной емкости конденсаторы приходится соединять в группу, которая называется батареей. Различают параллельное и последовательное соединение конденсаторов. Wэ.б=Wэ1+Wэ2+Wэ3(1.10) Используя формулы (1.9) и (1.10), получаем (учитывая равенство напряжений) Сб = С1+ С2 + С3 Емкость батареи параллельно соединенных конденсаторов равна сумме емкостей отдельных конденсаторов (3). Рассмотрим последовательное соединение конденсаторов (рис. 1.11). На обкладки 1 и 4 заряды поступают от источника питания. Заряды на внутренних обкладках 2 и 3 появляют Из формулы (1.6) U — q/C, т. е. при последовательном соединении конденсаторов, напряжения на них распределяются обратно пропорционально емкостям отдельных конденсаторов. U=U1+U2 (действие равно сумме противодействий) Из положения (5) следует, что q/Cб = q/C1+ q/C2, т. е. l/Cб =l/С1 + l/C2. (1.11) По этой формуле рассчитывается емкость батареи последовательно соединенных конденсаторов. При последовательном соединении п одинаковых конденсаторов емкость батареи на основании формулы (1.11) Сб = С/п. ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ. Диэлектрики в электрическом поле
Диэлектрики в электрическом поле
Диэлектрики в электрическом поле
6.1Диэлектрическая проницаемость
Проводники и диэлектрики в электрическом поле
складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля 
и внутреннего поля 
, создаваемого заряженными частицами вещества., которое компенсирует внешнее поле во всем объеме проводника:
в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные нескомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов. которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности внешнего поля. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика. В результате полное электрическое поле 
внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше внешнего поля 
внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности 
полного поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества.
возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле 
направленное навстречу внешнему полю (рис. 1.5.3). 
а отрицательные – в противоположном направлении. В результате каждая молекула превращается в электрический диполь, ось которого направлена вдоль внешнего поля. На поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные связанные заряды, создающие свое поле , направленное навстречу внешнему полю 
Так происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 1.5.4). 
связанных зарядов, возникающее при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, изменяется по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля . В очень сильных электрических полях эта закономерность может нарушаться, и тогда проявляются различные нелинейные эффекты. В случае полярных диэлектриков в сильных полях может наблюдаться эффект насыщения, когда все молекулярные диполи выстраиваются вдоль силовых линий. В случае неполярных диэлектриков сильное внешнее поле, сравнимое по модулю с внутриатомным полем, может существенно деформировать атомы или молекулы вещества и изменить их электрические свойства. Однако, эти явления практически никогда не наблюдаются, так как для этого нужны поля с напряженностью порядка 1010–1012 В/м. Между тем, гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика. связанных зарядов и полное поле могут иметь сложную структуру, зависящую от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем строго справедливо только в случае однородного диэлектрика, заполняющего все пространство, в котором создано внешнее поле. В частности: создаваемого этим зарядом в некоторой точке, и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме:
ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
однородном поле — 30 кВ/см, фарфора—150 кВ/см, слюды — 500 кВ/см и т. д. Из твердых диэлектриков в электрических устройствах применяют:слоистые пластики, получаемые прессованием с различными связующими бумаги (гетинакс), тканей (текстолит, стеклотекстолит) для изготовления панелей, оснований печатных схем, корпусов, прокладок и других деталей;
в тех случаях, если необходима повышенная надежность;
Электрический конденсатор представляет собой 
два проводника (обкладки), разделенные слоем диэлектрика. Промышленностью выпускаются бумажные, электролитические, керамические и другие конденсаторы. В бумажном конденсаторе проводниками являются две длинные ленты алюминиевой фольги, а диэлектриком — ленты парафинированной бумаги. В электролитическом конденсаторе роль диэлектрика выполняет тонкий слой окиси на поверхности обкладки из алюминиевой фольги. Конструкция плоского конденсатора показана на рис. 1.6,а; его условное обозначение — на рис. 1.6,б. Конденсатор обладает свойством накапливать и удерживать на своих обкладках равные по величине и разные по знаку электрические заряды. Под зарядом q конденсатора понимают абсолютное значение заряда одной из обкладок.
зуются более мелкими единицами — микрофарад (1 мкФ = 10-6 Ф) или пикофарад (1 пФ = 10 -12 Ф). Емкость плоского конденсатора определяется по формуле
При параллельном подключении С1,С2, С3 к источнику напряжения (рис. 1.10) все конденсаторы зарядятся до одинакового напряжения, равного напряжению источника U = U1= U2= U3(так как каждый конденсатор присоединен к полюсам источника). При этом энергия батареи Wэ.б , в соответствии с законом сохранения энергии,
ся за счет электростатической индукции. В результате зарядятся все обкладки конденсаторов.
Разряжаясь, 
батарея отдает заряды с внешних обкладок. Заряды внутренних обкладок нейтрализуют друг друга, поэтому
qб = q1 = q2
При последовательном соединении конденсаторов заряд батареи и каждого конденсатора в отдельности один и тот же (4).
Используя уравнения (1.10) и (1.8) и учитывая равенство зарядов, получаем
Напряжение батареи последовательно соединенных конденсаторов равно сумме напряжений отдельных конденсаторов (5). Поэтому на практике последовательное соединение конденсаторов применяется в тех случаях, когда напряжение источника превышает рабочее напряжение конденсаторов.
ТЕМА 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ОСТОЯННОГО ТОКАПохожие статьи:
poznayka.org
Диэлектрики в электрическом поле
Диэлектрики-вещества, в которых при не слишком высоких температурах и в отсутствие сильных электрических полей нет свободных зарядов, способных проводить электри- ческий ток.
Молекулы диэлектрика электрически нейтральны, но в зависимости от положения центров положительных зарядов ядер и отрицательных зарядов всех электронов различают полярные и неполярные молекулы.
К полярным относятсянесимметричные молекулы (СО, NH, HCl и др.) у которых центры зарядов разных знаков сдвинуты друг относительно друга (рис.4.10). Они обладают собственным дипольным моментом
, (4.30)
где l – плечо диполя.
К неполярным молекулам относятся симметричные молекулы(Н2, N2, O2 и т.д.), у которых в отсутствие внешнего электрического поля центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Такие молекулы не обладают собственным дипольным моментом.
При внесении неполярной молекулы во внешнее электрическое поле в ней индуцируется (наводится) диполь- ный момент за счет смещения плоскости орбиты электрона на малое расстояние 
(рис.4.11). Величина дипольного момента пропорциональна напряженности внешнего поля Е, а направление вектора 
совпадает с направлением вектора 
.
Действие внешнего поля на полярную молекулу сводится к повороту диполя в направлении поля (рис.4.12). Вращающий момент 
, действующий на диполь, равен векторному произведению векторов и
, (4.31)
а модуль механического момента
. (4.32)
В отсутствие внешнего электрического поля суммар- ный дипольный момент как полярных, так и неполярных диэлектриков равен нулю. При внесении диэлектрика во внешнее электростатическое поле происходит его поляриза- ция, приводящая к возникновению некоторого суммарного электрического момента молекул. Существует три типа поляризации: ориентационная, электронная и ионная.
Рис.4.10 Рис. 4.11 Рис. 4.12
Ориентационная поляризацияхарактерна для диэлек- триков с полярными молекулами. Под действием поля жесткие диполи стремятся повернуться таким образом, чтобы диполь- ные моменты совпадали с направлением вектора напряжен- ности поля . Этому препятствует тепловое движение моле- кул, поэтому степень преимущественной ориентации их дипольных моментов уменьшается с повышением темпера туры.
Электронная поляризация наблюдается в диэлектри- ках с неполярными молекулами. В электрическом поле неполярные молекулы приобретают индуцированные диполь- ные моменты, направленные вдоль поля. Данный вид поляризации не зависит от теплового движения молекул, а, следовательно, и от температуры.
Ионная поляризацияимеет место в кристаллических диэлектриках с ионными решетками типа NaCl . Под дейст- вием поля положительные ионы смещаются вдоль поля, а отрицательные – против поля. Это приводит к возникновению электрического момента у диэлектрика.
Рассмотренные типы поляризации могут сочетаться друг с другом.
Количественной мерой поляризации диэлектрика служит вектор поляризации– электрический момент единицы объёма диэлектрика
, (4.33)
где n – число диполей, содержащихся в объеме V, диэлектри6- ка; 
– электрический момент i – го диполя.
В слабых электрических полях для диэлектриков любого типа
æ , (4.34)
где æ (капа) – диэлектрическая восприимчивость вещества.
Благодаря поляризации диэлектрика (при любом ее типе) у той его поверхности, в которую входят силовые линии внеш- него поля, получается избыток отрицательных зарядов (отрицательно заряженных концов молекул - диполей). У противоположной поверхности, из которой выходят силовые линии, возникает избыточный положительный заряд (рис. 4.13).
Эти так называемые поляризационные или связанные заряды распределяются по поверхности диэлектрика с поверхностной плотностью 
. Поверхностная плотность поляризованных зарядов равна нормальной составляющей вектора поляризации.
.
Выразив P через Е (4.34), приходим к формуле
æ 
-  +
- +
- +
- +
- +
- +
|
| + σ + + + + + + + + + + + |
| - σ - - - - - - - - - - |
 |
– нормальная составляющая напряженности поля внутри диэлектрика.
Образование поляризован- ных зарядов приводит к возникновению дополнитель- ного электрического поля 
, которое направлено против внешнего поля 
и ослабляет последнее. Поэтому результи- рующее поле 
внутри диэлек- трика в силу принципа супер- позиции равно
, или 
. (4.35)
Учитывая, что
æ 
æE ,
будем иметь
E = E0 - æE илиE(1+ æ) = E0. Рис.4.13
Величина 1+æ=e , называемая относительной диэлектриче- ской проницаемостью среды, показывает во сколько раз поле в диэлектрике меньше чем в вакууме, т.е.
. (4.36)
Густота силовых линий в диэлектрике также в eраз меньше, чем в вакууме, поскольку на границе диэлектрика часть силовых линий заканчивается на связанных зарядах (рис.4.13).
Для простоты описания поля в диэлектрике вводят вектор электрического смещения 
. (4.37)
Вектор 
совпадает с вектором 
и характеризует то электрическое поле, которое создаётся только свободными зарядами (т.е. в вакууме), но при таком их расположении в пространстве, какое имеет место в присутствии диэлектрика. Густота силовых линий 
на границе диэлектриков с разными значениями e остается неизменной. Поэтому при наличии диэлектрика электрическое поле удобнее изображать с помощью линий электрического смещения.
Вектор электрического смещения можно выразить и через вектор поляризации диэлектрика
. (4.38)
Теорема Гаусса для потока вектора смещения электрического поля в любой среде записывается в виде
, (4.39)
и формулируется следующим образом: поток вектора электрического смещения через замкнутую поверхность равен алгебраической сумме свободных зарядов, заключенных внутри этой поверхности.
Расчёт симметричных полей в диэлектриках наиболее просто осуществлять с помощью теоремы Гаусса (4.39) при этом сначала определяют электрическое смещение 
,а затемна основании (4.37) – напряжённость 
. Далее на основании (4.27) можно исследовать потенциал поля.
infopedia.su
Проводники и диэлектрики в электрическом поле
Одним из основных понятий электрики является электрическое поле. Благодаря ему, все электрические заряды способны взаимодействовать между собой. Оно образовано суммой электрических полей, существующих в каждом заряде. Все тела, помещенные в эту среду, разделяются, как проводники и диэлектрики в электрическом поле, выполняющие собственные функции, в зависимости от их физических свойств.
Проводники в электрическом поле
Проводники свободно пропускают через себя электрозаряды, поскольку содержат в себе заряженные свободные носители. Классические проводники представлены различными видами металлов и электролитами.
Когда проводник попадает в электрическое поле, в нем возникает движение свободных зарядов. Оно прекращается при нулевом значении напряженности. Разноименные заряды могут разделяться и тогда наблюдается явление электростатической индукции. В этом случае прекращается перемещение свободных зарядов вдоль поверхности проводника. Когда распределение достигает определенного значения, вектор напряженности в поле становится перпендикулярным проводнику.
Все эти свойства проводников, на которые воздействует поле используются на практике в различных приборах и устройствах.
Диэлектрики
Тела, которые состоят из веществ, не проводящих электроразряды, получили название диэлектриков. Это связано с тем, что в них отсутствуют свободные заряды. В электротехнике такие тела играют роль изоляторов.
При помещении диэлектрика в электрическое поле, в нем не будет происходить перераспределения зарядов. Сам диэлектрик будет нейтральным на обоих концах. Тем не менее, незаряженное диэлектрическое тело может притягиваться к заряженному объекту, поскольку поле создает поляризацию диэлектрика. При этом, разноименные заряды, связанные между собой и находящиеся в составе молекул и атомов, смещаются в противоположные стороны.
Диэлектрики могут быть полярными и неполярными. В первом случае распределение положительных и отрицательных зарядов в молекулах не совпадает. Эти нейтральные системы называются электрическими диполями. В неполярных диэлектриках центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Их типичными представителями являются водород, кислород, инертные газы.
Следует отметить, что разделение веществ на проводники и диэлектрики достаточно условно, поскольку свободные заряды в различных количествах содержатся в каждом диэлектрике.
electric-220.ru
Диэлектрики в электрическом поле
1. Диэлектрики (изоляторы) – тела, в которых нет свободных электрических зарядов. В диэлектриках есть связанные заряды. Под действием электрического поля они могут смещаться упруго относительно положения равновесия лишь на некоторое расстояние, соизмеряемое с поперечником молекулы. Электрическое поле проникает внутрь диэлектриков, хотя и ослабляется при этом. Степень ослабления поля зависит от свойств диэлектрика.
2. Модели диэлектриков. Хотя молекулы диэлектрика в целом электронейтральны, они тем не менее взаимодействуют с внешним электрическим полем, поскольку обладают дополнительным моментом 
(смотри пример 3.3). У одних молекул дипольный момент исчезает при снятии внешнего поля (модель упругого диполя неполярных молекул), у других – остается (модель жесткого диполя полярных молекул).
а. Неполярные молекулы, например газов h3, N2, O2 поляризуются во внешнем электрическом поле благодаря смещению электронных облаков относительно положительного ядра. Формально неполярную молекулу можно рассматривать как наложение двух сфер имеющих одинаковые по величине, но противоположные по знаку заряды q+ и q-. Когда внешнего поля нет, центры сфер совпадают, дипольный момент молекулы равен нулю, 
(рис.31-а). При наложении поля 
сферы расходятся, 
, у молекулы появляется дипольный момент 
(рис.31-б). Это упругая поляризация диэлектрика.
б. Полярные молекулы, например воды h3O, имеет дипольный момент и в отсутствии поля (рис.32). Но из-за теплового движения, когда внешнего поля нет, молекулы ориентированны хаотично. Векторная сумма всех молекул диполя близка к нулю.
При наложении внешнего электрического поля Е на каждый диполь действует сила, стремящаяся развернуть диполь вдоль по полю. Она тем больше, чем сильнее поле. Это ориентационная поляризация диэлектрика.
В несильных полях поляризуемость диэлектрика пропорциональна полю Е независимо от типа поляризации. Это позволяет построить общую феноменологическую торию поляризации диэлектриков.
3. Диполь во внешнем электрическом поле. Рассмотрим случай однородного и неоднородного полей.
а. Однородное поле. При наложении на жесткий диполь однородного электрического поля Е оба его заряда q+ и q- испытывают действие равных по величине и противоположных по направлению сил (рис.33). В результате диполь испытывает воздействие пары сил. 
. (6.1)
Момент пары сил М пропорционален электрическому моменту поля р и напряженности поля Е.
Упругий диполь в однородном поле не испытывает действие вращающего момента. Он просто растягивается вдоль по полю тем больше, чем больше напряженность поля Е.
Как жесткий, так и упругий диполи в однородном поле не испытывают действия смещающей их силы. Центр масс диполя остается в равновесии.
б. В неоднородном поле силы, действующие на заряды диполя, в общем случае не равны по величине. Поэтому кроме момента пары, действующей на жесткий диполь, на него действует еще сила, стремящаяся сместить диполь вдоль поля.
Для ее определения расположим диполь вдоль силовых линий так, как показано на рис.34-а. Пусть отрицательный заряд q- находится в точке поля с координатой x. Тогда координата положительного заряда q+ есть x + l.
Если в точке x напряженность поля равна Е1, то, учитывая малость отрезка l, в точке x + l она равна 
(рис.34-б).
Проекция силы, действующей на отрицательный заряд, равна F1х = q-E1 = -qE1, а на положительный 
. Сумма проекций сил равна:
. (6.2)
Эта сила тянет диполь в область поля с большей напряженностью (рис.34 вправо).
В принципе возможна и другая ориентация диполя, когда заряды q- и q+ поменяются местами. В этом случае диполь будет выталкиваться из поля. Но в отличии от ориентации, показаний на рис.34, противоположное положение диполя не устойчиво. При малейшем отклонении от положения равновесия возникающий момент пары сил будет стремится развернуть диполь в устойчивое положение. Поэтому в статистике ситуация с выталкиванием диполя из поля не реализуется. Упругий диполь поляризуется всегда в устойчивом состоянии и поэтому всегда втягиваются в поле. Таким образом, все диэлектрики независимо от типа поляризации втягиваются в область поля с большей напряженностью.
4. Поляризация диэлектриков. При внесении диэлектрика в электрическое поле его молекулы поворачиваются (жесткий диполь) или поляризуются (упругий диполь). В результате противоположные стороны диэлектрика приобретают равные по величине, но противоположные по знаку заряды. Говорят, диэлектрики поляризуются. Наблюдающиеся при этом деформации называются электрострикцией (от электро- и лат. strictio – стягиваю, сжимаю).
Рассмотрим плоскопараллельный изотропный диэлектрик, толщиной L, зажатый между пластинами плоского конденсатора с площадью обкладок S (рис.35). Знаками Å и y показаны свободные заряды на обкладках конденсатора. Их поверхностная плотность s. Эти заряды создают в конденсаторе одинаковые электрические поля направленные на рис.35 слева направо. Знаками «+» и «–» показаны связанные заряды на поверхности диэлектрика, появившиеся вследствие его поляризации. Их поверхностная плотность s¢. Эти заряды создают противоположное поле, ослабляющее поле свободных зарядов.
Плотность поляризационных зарядов всегда меньше плотности свободных, s¢ < s. Поэтому поле поляризационных зарядов никогда не может скомпенсировать поле свободных зарядов, оно лишь ослабляет его. В результате поляризации на поверхности диэлектрика появляется заряд q¢=s¢S, адиэлектрик в целом приобретает электрический дипольный момент 
, (6.3)
Электрический дипольный момент единицы объема диэлектрика называют вектором поляризации 
. (6.4)
Вектор поляризации диэлектрика, грани которого нормальны силовым линиям поля, равен поверхностной плотности поляризованных зарядов. Как показывает опыт, для несильных полей внутри диэлектриков, не обладающих сегнетоэлектрическими свойствами, вектор поляризации пропорционален полю Е: 
, (6.5)
где a – безразмерный коэффициент, называемый диэлектрической восприимчивостью вещества, 0 £ a < 1.
Из формул (6.4) и (6.5) получим связь плотности связанных зарядов s¢ с величинами a, E:
. (6.6)
5. Законы электростатики в диэлектриках. В макроскопической электростатике диэлектрики рассматриваются как сплошная среда, ослабляющая электрическое поле свободных зарядов. Это ослабление проявляется как результат наложения на поле свободных зарядов встречного поля связанных зарядов. Для появления поляризационных связанных зарядов диэлектрик должен иметь свободную поверхность, граничащую со свободными зарядами. Поэтому заряженные тела в диэлектрике должны иметь в этом смысле конечные размеры (рис.36-а).
На микроуровне это условие не обязательно. Поле почти точечного электрона, находящегося среди молекул воды, так же ослабляется, хотя никакой физической поверхности с поляризационными зарядами нет. Ослабление происходит потому, что объемная концентрация положительных зарядов молекул воды, ориентированных по радиусу относительно электрона, ближе к центру оказывается больше, чем на периферии. Поэтому и здесь возникает поле поляризационных зарядов, противоположное полю электрона и ослабляющее его (рис.36-б).
а. Закон Кулона в диэлектрике применим по этой причине как к точечным, так и к протяженным шаровым зарядам. Сила взаимодействия между зарядами q1 и q2 уменьшается в e раз по сравнению с силой в вакууме 
. (6.7)
Это безразмерное число e ³ 1 называется относительной диэлектрической проницаемостью среды. Чем легче поляризуется диэлектрик, тем больше e.
| Таблица 6.1 | |||
| Вещество | e | Вещество | e |
| Газы | Твердые тела | ||
| Азот | 1,0006 | Алмаз | 5,7 |
| Воздух | 1,0006 | Воск пчелиный | 3,0 |
| Неон | 1,0001 | Мрамор | |
| Этилен | 1,0013 | Парафин | 2,0 |
| Жидкости | Слюда | 6,0 | |
| Ацетон | Стекло | 8,0 | |
| Вода | Сургуч | 3,0 | |
| Глицерин | Фторопласт | 2,0 | |
| Керосин | 2,1 | Шелк | 3,5 |
| Скипидар | 2,2 | Эбонит | 3,1 |
| Спирт этиловый | Янтарь | 2,8 |
У газов e очень мало отличается от единицы, а у жидкостей и твердых тел может быть до нескольких десятков (таблица 6.1).
б. Напряженность и потенциал поля в диэлектрике так же уменьшается по сравнению с вакуумом в e раз. 
. (6.8)
Где E0 и j0 – напряженность и потенциал поля в вакууме.
Аналогично изменяется поток вектора напряженности поля в диэлектрике через поверхность. Поэтому теорема Гаусса в диэлектрике принимает вид: 
. (6.9)
6. Связь между e и a. Поле внутри диэлектрика Е можно представить как сумму двух полей: поля Е0, создаваемого свободными зарядами на обкладках конденсатора в вакууме, и противоположного ему поля Е¢ поверхностных зарядов s¢ так же в вакууме (рис.35): 
. (6.10)
С другой стороны, поле в диэлектрике в e раз меньше поля в вакууме, 
. (6.11)
Исключив из формул (6.10) и (6.11) Е0, получаем: 
. (6.12)
Из уравнения (6.6) 
. Поля, созданные двумя противоположными поверхностями диэлектрика со связанными зарядами s¢, складываются, и из формулы (4.18) получаем: 
. (6.13)
После подстановки Е и Е¢ в (6.12) получаем: 
. (6.14)
7. Преломление линий Е на границе диэлектриков. При внесении диэлектрика в электрическое поле на его поверхности появляются поляризационные заряды. Поле этих поляризационных зарядов нормально поверхности диэлектрика.
При вхождении силовых линий внешнего поля в диэлектрик под прямым углом к поверхности направление линий не меняется (рис.37). Но напряженность в диэлектрике Еn уменьшается по сравнению с вакуумом Е0n в e раз, так что 
. (6.15)
Здесь индекс «n» означает, что речь идет о векторе Е, перпендикулярно границе раздела сред, то есть о нормальной составляющей напряженности Еn.
Если диэлектрическая пластина на рис.37 состоит из двух разных диэлектриков с проницаемостью e1 и e2, то на границе диэлектрика условие (6.15) принимает вид:
. (6.16)
Поскольку часть линий Е линий в вакууме замыкается на поляризационных зарядах, то густота линий Е в диэлектрике уменьшается в e раз. Точно так же она уменьшается в диэлектрике с большей проницаемостью e1 по сравнению с диэлектриком с меньшей проницаемостью e2 в 
раз. Говорят, нормальная составляющая вектора Е на границе диэлектриков терпит разрыв.
Если силовые линии входят в диэлектрик с большей проницаемостью не перпендикулярно, а образует с нормалью угол 
, то меняется не только их густота, но и направление (рис.38). Дело в том, что касательная к поверхности составляющая Еt не меняется, Еt1 = Еt2 . Поляризационная ситуация слева и справа от нормали в точке входа линий одинакова.
В том диэлектрике, где нормальная составляющая Еn уменьшается, силовые линии отклоняются к поверхности. В общем случае для углов падения a и преломления b можно записать:
. (6.17)
8. Электреты – это диэлектрики, сохраняющие поляризованное состояние длительное время после снятия внешнего воздействия, вызвавшего поляризацию. Если вещество, молекулы которого являются жёсткими диполями, расплавить и поместить в сильное электрическое поле, то молекулы частично ориентируются по полю. Если поле не выключать вплоть до затвердевания расплава, то поворот молекул в твердом состоянии сильно затруднен. В результате поляризованное состояние может сохранятся от нескольких суток до нескольких лет. Первый электрет был изготовлен так из воска в 1922 г. Достаточно стабильные электреты получают из смол, твердых полимеров, кремния, стекол и др.
9. Сегнетоэлектрики – кристаллические диэлектрические вещества с аномально большим значением проницаемости e, достигающей 10000. Это явление было открыто в 1920 г. у сегнетовой соли – двойной соли винной кислоты KNaC4h5О6×4h3O. Сейчас известно несколько сотен сегнетоэлектриков.
Сегнетоэлектрики состоят из спонтанно (самопроизвольно) поляризованных областей – доменов. Чем больше подвижны границы доменов, тем больше величина e. Сегнетоэлектрики – это нелинейные диэлектрики, их проницаемость e зависит от напряженности поля Е, что используется в нелинейных конденсаторах – варикондах.
При нагревании до некоторой температуры Тк (точка Кюри) спонтанная поляризация сегнетоэлектриков, как правило, исчезает. Значение Тк у разных сегнетоэлектриков сильно различаются. Например, у фосфата калия Kh3PO4Тк = -150°С, у сегнетовой соли ее свойства проявляются между двумя точками Кюри – от Тк1 = -18°С до Тк2 =24°С, у титаната висмута Bi4Ti3O12Тк = 675°С, у ниобата лития LiNbO3Тк =1210°С.
10. Пьезоэлектрические эффекты (от греч. piezo – давлю) – явление, связанное с возникновением поляризации диэлектрика при механических напряжениях и наоборот. Различают прямой и обратный пьезоэффект.
а. Прямой пьезоэффект состоит в том, что при сжатии, например, кварцевой пластинки вдоль оси ОХ на перпендикулярных к ней гранях ABCD и EFGH появляются разноименные поляризованные заряды (рис.39). Это продольный эффект. Если пластинку растягивать, то знаки поляризационных зарядов на гранях изменятся на обратные.
Ось ОХ, вдоль которой появится пьзоэффект, называется электрической осью кристалла. Электрических осей в кристалле может быть несколько. Они никогда не совпадают с оптической осью кристалла.
Поперечный пьезоэффект проявляется в том, что при растяжении пластинки вдоль оси OZ грани ABCD и EFGH поляризуются так же, как при сжатии оси ОХ , а при сжатии оси OZ – так же, как при сжатии вдоль оси ОХ.
Прямой пьезоэффект открыли в 1880 г. братья Пьер и Жак Кюри.
б. Обратный пьезоэффект состоит в том, что при электрической поляризации кристалла в нем возникают механические деформации. В отличии от электрострикции, которая появляется во всех направлениях и не зависит от направления поля, пьезоэффект появляется лишь в некоторых кристаллах и зависит от направления поля.
Из известных более 1500 пьезоэлектриков многие используются для изготовления элементов измерительной, акустической и другой электрической аппаратуры.
Похожие статьи:
poznayka.org
Поделиться с друзьями: