• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

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 10¹⁵-10²⁰ разів гірше ніж провідники.

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.

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

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== ">

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

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:

1. III. За виділенням або поглинанням енергії
2. IV. Критерій питомої потенціальної енергії деформації формозміни
3. Альтернативні види палива та електроенергії
4. В процесі читання виділіть маркером або підкресліть шляхи передачі теплової енергії.
5. Визначення ймовірності перерви електропостачання і середньої кількості недоотриманої електроенергії.
6. ВИКОРИСТАННЯ СВІТЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ ГАЛОБАКТЕРІЯМИ
7. Вимірювання енергії
8. Вимірювання потужності та енергії на високих частотах
9. ВИПРОМІНЮВАННЯ ТА ПОГЛИНАННЯ ЕНЕРГІЇ АТОМАМИ ТА МОЛЕКУЛАМИ
10. Високий рівень енергії.
11. Врахування витраті втрат електроенергії. Приклад складання електробалансу.
12. Втрати енергії вздовж круглого трубопроводу. Формула Пуазейля і коефіцієнт Дарсі.

Переглядів: 4290