Новини освіти і науки:

G+

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

Об’ємна густина енергії

Нехай є відокремлений провідник, заряд, ємність і потенціал якого становлять, відповідно q, С, . Збільшимо заряд цього провідника на dq. Для цього треба перенести заряд dq з нескінченності до поверхні провідника, затративши на це роботу

, .

Щоб зарядити тіло від нульового потенціалу до , треба виконати роботу

Енергія зарядженого провідника числово дорівнює тій роботі, яку треба виконати, щоб зарядити цей провідник, тобто

Під час зарядження конденсатора витрачається робота із перенесення електричних зарядів з однієї обкладки на іншу. Енергію зарядженого конденсатора визначають за формулою:

де - різниця потенціалів між обкладками.

Знайдемо енергію електричного поля.

де - об'єм конденсатора.

Відомо, що . Тоді

Ці формули показують, що енергія конденсатора виражається через величину, що характеризує електричне поле, - через через напруженість Е. Це означає, що електричностатичне поле володіє енергією і можна говорити про енергію електростатичного поля. Енергія є є однією з характеристик стану матерії. Тому енергія нерозривно пов’язана з її матеріальним носієм – електричним полем. Енергіє електричного поля локалізована у прочторі, де існує поле.

Вираз відповідає положенням теорії далекодії, де W розглядається як потенціальна енергія заряджених тіл, що притягуються або відштовхуються один від одного. Формула відповідає уявленям теорії поля (теорії близькодії), де вважається, що енергія, подібно до речовин, розподілена у просторі з об’ємною густиною

Енергія dW_e нескінченно малого об’єму dV поля дорівнює:

Інтергуючи це рівняння по всьому об’єму V поля, знаходимо повну енергію W_e електростатичного поля:

Лекція №10

19. Діелектрики у електростатичному полі

19.1 Типи діелектриків.

Електронна і орієнтаційна поляризація

Діелектриками (або ізоляторами) називаються речовини, які не здатні пробити електричний струм.

У природі ідеальних ізоляторів не існує, вони проводять струм в 10¹⁵-10²⁰разів гірше ніж провідники.

Рис. 25

Питомий опір діелектриків становить

. У діелектриках немає вільних електричних зарядів (електронів), як у металах або інших провідниках.

Кожна молекула (або атом) діелектрика має позитивно заряджені ядра і негативно заряджені електрони, які рухаються навколо ядер. Позитивні заряди всіх ядер дорівнюють абсолютній величині заряду всіх електронів, а тому молекула речовини загалом електричне нейтральна.

Вивчаючи електричні властивості діелектриків, молекули діелектриків можна зобразити як систему, що складається з двох точкових зарядів.

Замінимо всі позитивні заряди ядер молекули одним сумарним зарядом +q, що перебуває в центрі мас позитивних зарядів, а всі негативні заряди – одним сумарним негативним зарядом –q, що перебуває в центрі маси негативних зарядів. Тоді молекулу діелектрика можна розглядати як диполь, який складається із зарядів +q і -q.

Діелектрики поділяються на три типи.

I. Неполярні діелектрики – це діелектрики, які складаються з молекул, центри мас позитивних і негативних зарядів яких збігаються за відсутності електричного поля (рис.8). Прикладом неполярних діелектриків є гази N₂, H₂, O₂, CO₂, CH₄.

Молекули таких діелектриків називаютьсянеполярними. Дипольний момент такихмолекул за відсутності зовнішнього електричного поля дорівнює нулю.

Рис. 26

II. Полярні діелектрики – це діелектрики, в яких центри мас позитивних і негативних зарядів не збігаються, тобто мають асиметричну будову (рис.9). До полярних діелектриків належать гази SO₂, H₂S, NH₃, та ін., рідини – вода Н₂О, соляна кислота НСl, бензол С₆H₆ тощо.

Рис. 27

Молекули таких діелектриків називаютьполярними. Ці молекули за відсутності зовнішнього поля мають дипольні моменти

. їх називають жорсткими диполями.

III. Іонні діелектрики – це речовини, молекули яких мають іонну будову. Прикладом таких діе-лектриків є NaCl, КСl та інші.

Іонні кристали є просторовими ґратками з правильним чергуванням іонів різних знаків (рис. 10). У цих кристалах не можна виділити окремі молекули. Іонні кристали необхідно розглядати як систему вміщених одна в одну іонних підґраток. У цих діелектриках кожна пара сусідніх різноіменних іонів подібна до диполя.

Розглянемо, що відбувається з діелектриками при внесенні їх в однорідне електричне поле.

19.2 Неполярні діелектрики. Електронна поляризація

Рис. 28

Сили, з якими електричне поле діє на позитивні і негативні заряди молекул, напрямлені протилежно і тому розсувають їх. В електричному полі центри мас позитивних і негативних зарядів кожної молекули не збігаються, а зміщенні на відстань l між ними (рис.11). Чим більша напруженість поля

, тим на більшу відстань l розсуваються заряди протилежних знаків. Молекула з неполярної перетворюється в полярну з дипольним моментом

Рис. 29

Оскільки l~Е, а

, то р~Е, або

, де

– електрична стала,

– поляризованість окремої молекули діелектрика. Величина

має неоднакові значення для атомів і молекул різних речовин. Поляризованість

характеризує здатність електронів в атомі або в молекулі зміщуватись під дією сил електричного поля.

Дипольні моменти молекул неполяризованих діелектриків називають індукованими, або квазіпружними.

При внесенні неполярного діелектрика в елекгричне поле всі індуковані дипольні моменти розміщуються ланцюжками вздовж ліній напруженості (рис. 12), де ● – негативні заряди, а ○ – позитивні. Внаслідок цього грані діелектрика набувають різ ноіменних зарядів - діелектрик поляризується. Такого роду поляризація діелектрика називаєтьсяелектронною.

19.3 Полярні діелектрики. Дипольна, або орієнтаційна поляризація

h AJ+JQ2baBAAAvw4AAA4AAAAAAAAAAAAAAAAAOgIAAGRycy9lMm9Eb2MueG1sUEsBAi0AFAAGAAgA AAAhAKomDr68AAAAIQEAABkAAAAAAAAAAAAAAAAAQAcAAGRycy9fcmVscy9lMm9Eb2MueG1sLnJl bHNQSwECLQAUAAYACAAAACEAzb1yDuEAAAAKAQAADwAAAAAAAAAAAAAAAAAzCAAAZHJzL2Rvd25y ZXYueG1sUEsBAi0ACgAAAAAAAAAhAGD5is7ZoQMA2aEDABQAAAAAAAAAAAAAAAAAQQkAAGRycy9t ZWRpYS9pbWFnZTEucG5nUEsFBgAAAAAGAAYAfAEAAEyrAwAAAA== ">

Рис. 30

Якщо діелектрик з полярними молекулами не перебуває у зовнішньому електричному полі, то внаслідок хаотичного теплового руху молекул вектори їхніх дипольних моментів орієнтовані хаотично (рис. 13, a). Тому векторна сума дипольних моментів всіх молекул, які перебувають у довільному об’ємі

діелектрика, дорівнює нулю.

Якщо діелектрик з полярними молекулами внести в електричне поле, то під дією поля полярні молекули діелектрика намагаються повернутись так, щоб вектори їх дипольних моментів збігались з напрямком вектора напруженості поля (рис. 13, б). Але тепловий рух молекул хаотично розкидає диполі і заважає орієнтації всіх векторів (дипольних моментів) вздовж поля. Внаслідок спільної дії цих двох факторів в діелектрику переважає орієнтація дипольних моментів молекул вздовж поля. Ця орієнтація буде тим повнішою, чим сильніше електричне поле в діелектрика і чим слабший тепловий рух молекул, тобто, чим нижча температура. Цей процес називаютьорієнтаційною поляризацією діелектрика.

19.4 Іонні діелектрики. Іонна поляризація

Рис. 31

У кристалічних діелектриках, які мають кубічні кристалічні ґратки (NaCl, KCl, Naj та інші) під дією електричного поля всі позитивні іони зміщуються в напрямку напруженості поля

,а всі негативні іони – в протилежному напрямку (рис. 14). При цьому в кожній одиниці об’єму кристала перебуває однакова кількість позитивних і негативних іонів, а на кожній з двох протилежних граней кристала, перпендикулярних до вектора напруженості електричного поля, містяться іони якого-небудь одного знака. Такий вид поляризації називаютьіонною поляризацією.

Заряди, які виникають на гранях діелекрика, не вільні, вони зв’язані з атомами та молекулами речовини.

Явище обмеженого зміщення зарядів в атомах і молекулах або напрямленої орієнтації дипольних моментів жорстких молекул в зовнішньому електричному полі, внаслідок якого на поверхні діелектрика виникають зв’язані електричні заряди, називається поляризацією діелектриків.

Ступінь поляризації діелектрика характеризується вектором поляризації, або поляризованістю.

Вектором поляризації називають границю відношення електричного моменту деякого об’єму діелектрика до цього об’єму, коли об’єм прямує до нуля:

де – дипольний момент і-то диполя, п – кількість диполів, які знаходяться в об’ємі .

Отже, вектор є дипольним моментом одиниці об’єму діелектрика, який виникає при його поляризації.

Для однорідного діелектрика, який перебуває в однорідному електричному полі, справедлива рівність: , де п – кількість молекул в одиниці об’єму, – дипольний момент молекули. Оскільки , то .

Позначимо , отже, . Коефіцієнт називається діелектричною сприйнятливістю речовини або поляризованістю одиниці об’єму діелектрика. - величина безрозмірна ( для води, для спиртів).

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
	\|

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.006 сек.