- •З навчальної дисципліни «фізика»
- •Лекція 15. Електростатика. Електричний заряд.
- •1.Закон Кулона
- •Розв’язання типових задач
- •Теоретичні питання
- •Практичні завдання
- •Лекція 16. Провідники та діелектрики в електричному полі.
- •Діелектрики та провідники в електричному полі. Механізми поляризації. Піро-, п’езо- та сегнетоелектрики
- •Поляризація полярних діелектриків.
- •Розв’язання типових задач
- •Теоретичні питання
- •Практичні завдання
- •Лекція 17. Постійний електричний струм
- •Розв’язання типових задач
- •Теоретичні питання
- •Практичні завдання
- •Лекція 18. Електричний струм у металах. Види розрядів (тліючий, дуговий, іскровий, коронний). Блискавка.
- •Види розрядів (тліючий, дуговий, іскровий, коронний). Блискавка. Іскровий розряд
- •Дуговий розряд
- •Тліючий розряд
- •Коронний розряд
- •Розв’язання типових задач
- •Теоретичні питання
- •Практичні завдання
- •Лекція 19. Магнітне поле електричного струму.
- •Розв’язання типових задач
- •Теоретичні питання
- •Практичні завдання
- •Лекція 20. Змінний струм. Основи радіоелектроніки.
- •Модуляція і детектування
- •Розв’язання типових задач
- •Практичні завдання
- •Лекція 21. Електромагнітна природа світла.
- •Енергія електромагнітної хвилі
- •Електромагнітна хвиля в середовищі
- •Розв’язання типових задач
- •Лекція 22. Геометрична оптика.
- •Волоконно-оптичні системи передачі інформації
- •Встановимо закони відбивання світла
- •3. Продемонструємо оборотність світлових променів
- •Розв’язання типових задач
- •Практичні завдання
- •Теоретичні питання
- •Лекція 24. Хвилі Де Бройля.
- •Теоретичні питання
- •Лекція 18. Електричний струм у металах. Види розрядів (тліючий, дуговий, іскровий, коронний). Блискавка……………………………………………………..23
Діелектрики та провідники в електричному полі. Механізми поляризації. Піро-, п’езо- та сегнетоелектрики
В провідниках містяться вільні заряди, які можуть переміщуватись в межах тіла на довільні відстані. Якщо провідний зразок помістити в електричне поле, заряди під його дією перемістяться, і встановиться рівновага. В цьому стані електричний струм відсутній, отже макроскопічне електричне поле рівне нулю в усіх точках в середині провідника. Оскільки , то і з рівнянь Максвела . Отже, в рівновазі об’ємна густина зарядів в однорідному провіднику рівна нулю. Слід зазначити, що силові лінії електричного поля перпендикулярні до поверхні ( ), бо інакше виник би рух зарядів.
В діелектриках заряди можуть переміщуватись лише на відстані порядку міжатомних.
За механізмами поляризації діелектрики поділяються:
- Неполярні діелектрики – під дією електричного поля електрони зміщуються відносно ядер, і неполярні молекули стають диполями.
- Полярні діелектрики – молекули мають дипольний момент, і під дією електричного поля орієнтуються.
- Діелектричні кристали – можна вважати, що вони складаються з двох підрешіток: з позитивно і негативно заряджених іонів. Під дією електричного поля одна підрешітка зміщується відносно другої.
Д ля кількісного опису поляризації вводять вектор поляризації – дипольний момент одиниці об’єму діелектрика, що виникає при поляризації. З малюнка видно, що , де – площа бічної поверхні, – об’єм зразка, – поверхнева густина індукованих зарядів. Помножимо цю рівність на (вектор нормалі до бічної поверхні), і враховуючи, що , отримаємо:
Вводять вектор електричної індукції , і тоді теорема Гауса для діелектриків запишеться так: або в диференціальному вигляді .
Вектори та для багатьох речовин у випадку достатньо слабких зовнішніх полів можна пов’язати так: , де – діелектрична проникність середовища. Для анізотропних речовин – тензор.
Поляризація неполярних діелектриків.
Нехай є заряджена куля з об’ємною густиною заряду . Напруженість електричного поля на відстані від центру (при ) можна знайти з теореми Гауса
: , . Звідси .
Р озглянемо рівномірно поляризовану кулю. Вважатимемо, що всі заряди «+» зміщені відносно зарядів «-» на . Знайдемо поле в середині кулі. , ,
Поляризація полярних діелектриків.
Молекули полярних діелектриків мають дипольний момент у відсутності зовнішнього поля, і під дією поля вони змінюють орієнтацію у просторі. Нехай функція характеризує розподіл осей диполів за напрямками: . Якщо зовнішнє поле відсутнє, то , тобто всі напрямки рівноймовірні. Якщо є зовнішнє поле, визначається формулою Больцмана: , – потенціальна енергія диполя в полі . Якщо поле слабке: . (вважаємо що ). знаходимо з умови нормування: . Другий інтеграл рівний нулю, бо приймає значення рівні за модулем, протилежні за напрямком. Отже . Знайдемо значення :
.
Перший інтеграл, як було показано, рівний нулю.
Очевидно, що . Звідси . Оскільки всі три інтеграли рівні, то . Отже, ,
П’єзоелектрики, піроелектрики та сегнетоелектрики.
П’єзоелектрики – речовини, в яких під дією механічної деформації виникає електрична поляризація. Ця властивість характерна лише для іонних кристалів з певною будовою кристалічної гратки.
Піроелектрикам притаманна спонтанна поляризація – гратка позитивних іонів зміщена відносно гратки негативних іонів і у відсутності деформації. Поляризація компенсується молекулами, що осідають на поверхні. При підвищенні температури зміщення збільшується і поляризація проявляється.
Сегнетоелектрики – кристали, що в певному інтервалі температур проявляють властивості піроелектриків. За межами цієї області кристал переходить в іншу модифікацію і ці властивості зникають. Особливістю сегнетоелектриків є те, що напрямок їх поляризації може бути змінений зовнішнім електричним полем. Для сегнетоелектриків є характерним діелектричний гістерезис – залежність спонтанної поляризації від попередньої історії зразка.