6. Електричне поле в діелектриках. Поляризація діелектрика. Об'ємні та поверхневі зв'язані заряди. Поляризованість.

Діелектрики не містять колективізованих електронів і не проводять струм. Є два основних типа діелектриків.

• Такі, що складаються з полярних молекул (диполів, тобто "здвоєних електричних полюсів"), які при відсутності зовнішнього поля розташо­вані хаотично (а);приклади: дистильована вода, кам'яна сіль. Зовнішнє поле чинить орієнтуючу дію на диполі в діелектрику (б).

  • 

• Такі, що складаються з електрично нейтральних молекул (а). Під дією зовнішнього поля ядра атомів такої речовини зсуваються в один бік, електрони — в інший. Деформуюча дія поля перетворює мо­лекули діелектрика в диполі (б).

• Процеси (1) і (2) реагування діелектриків на зовнішнє електричне поле називаються поляризацією діелектрика.

Спрощено: поляризація — це перехід діелектрика з електрично-

нейтрального стану в наелектризований. Поляризація першого типу — орієнтаційна, а другого типу — деформаційна.

Таким чином, всередині діелектрика виникає власне електричне поле, напрямлене протилежно зовнішньому полю. При цьому зовнішнє поле послаблюється.

, отже Фізична величина, що показує, у скільки разів напруженість поля, в якому знахо­диться діелектрик, більша, ніж напру­женість поля, яке проникло в діелектрик, називається діелектричною проникністю:

Приклади:

Діелектрик послаблює взаємодію зарядів:

- тобто ε показує, у скільки разів діелектрик послаблює взаємодію зарядів.

Послаблення діелектриками електричних полів пов’язане з тим, що заряди, які з’являються в діелектриках – зв’язані: входять до складу нейтральних атомів та молекул або розміщені у вузлах іонних кристалічних граток і можуть зміщуватися лише на мікроскопічні відстані у межах своїх атомів або елементарних граток, а по об’єму та по поверхні діелектрика переміщуватися не можуть.

7. Електроємність. Конденсатори. Енергія взаємодії електричних зарядів. Енергія заряджених провідника та конденсатора. Густина енергії електростатичного поля.

У навчальних посібниках для школи стверджується, що електроємність С — характеристика тільки системи провідників (не менше двох), що суперечить фізиці.

При наповненні чаші об'ємом V₂ у ній виявиться більше води, ніж у чаші об'ємом V₁<V₂ (а). Подібно до цього, на металевій пластині пло­щею S₂ виявиться більше заряду, ніж на пластині площею S₁<S₂ при такій же густині заряду (б). Таким чином, електрична місткість (ємність) провідника визначаєть­ся його розмірами.

Здавалося б, можна говорити і про електричну місткість діелектрика, однак фізична величина, названа електроємністю, може бути характе­ристикою лише провідників. Пояснимо це:

Нехай металева пластина містить заряд q₁, внаслідок чого потенціал будь-якої її точки , (а). Привнесення додаткового заряду ∆q на пра­ву частину пластини (б) збільшує потенціал всіх точок пластини (завдя­ки розтіканню цього ∆q по всій пластині, стор. 64), тобто

Але для двох пластин різної площі однакова добавка ∆q викличе різну зміну потенціалу (тим більшу, чим менша площа пластини). Перехід від пропорційності до рівності відбувається за допомогою коефіцієнта :

Величина С (від "сарасitу" — ємність), чисельно рівна заряду, надання якого провіднику збільшує потенціал будь-якої його точки на 1 вольт, називається електричною ємністю.

Отже, електрична ємність С (точніше — обернена їй величина) — ко­ефіцієнт пропорційності між потенціалом будь-якої точки провідного тіла і його повним зарядом.

У діелектриків пропорційності немає: збільшення q деякої частини ді­електричного тіла не впливає на решти його ділянок. Отже, до діелект­риків незастосовний і коефіцієнт С.

1 фарад — дуже велика ємність (таку ємність мала б поодинока металева куля, радіус якої = в 1500 разів перевищував радіус Землі (!). На практиці користуються частинами цієї одиниці: мкФ и пФ (1 мкФ = 10 ^-6 Ф, 1пФ =10^-12Ф).

Електроємність поодинокого провідника дуже мала. Способи збільшен­ня ємності зрозумілі з урахуванням поведінки провідників і діелект­риків в електричному полі: якщо поблизу даного провідника розташу­вати інший, а між ними ввести діелектрик, то така система (конденсатор) накопичить при зарядці значно більший заряд. Це пояснюється накла­данням на поле даного провідника поляризаційного поля діелектрика і поля, наведеного в другому провіднику. При цьому потенціал системи, що заряджається (а отже й робота по привнесенню нових "порцій" заря­ду), зменшується порівняно з випадком зарядки поодинокого провідни­ка, тобто відбувається збільшення ємності.

Конденсатор — пристрій, який дозволяє у малій ділянці простору нако­пичити великий заряд. Конденсатор складається з двох близько розта­шованих провідників, відділених шаром діелектрика.

Для будь-яких двох провідників: - різниця потенціалів цих провідників (або напруга).

У залежності від форми провідників, кон­денсатори бувають плоскі, сферичні й ци­ліндричні. Найбільш поширені плоскі кон­денсатори. Формулу ємності плоского конденсатора лег­ко одержати логічно:

Іноді для того, щоб підібрати конденсатор потрібної у схемі ємності, іноді — для підвищення "електричної міцності" (збільшення напруги пробою) кілька конденсаторів з'єднують разом,

а) Паралельне з'єднання

При такому з'єднанні кількох конденсаторів їх пластини (обкладки) з'єднують у дві групи. При зарядці такої батареї конденсаторів заряд кожного конденсатора пропорційний його ємності, а заряд батареї дорів­нює сумі зарядів окремих конденсаторів:

(пластини кожної групи утворюють немовби одну пластину). Напруги на всіх конденсаторах однакові:

U₁=U₂=…=U_n=U

Поділивши перше рівняння на друге, одержимо:

C=C₁+C₂+…+C_n

Або

(тобто паралельне з'єднання конденсаторів дозволяє одержувати великі ємності).

б) Послідовне з'єднання

При цьому: q₁=q₂=…=q_n=q

U=U₁+U₂+…+U_n

Ділення рівняння (2) на (1) дає:

Якщо в батарею послідовно з'єднано n конденсаторів однакової ємності, то ємність батареї в n разів менша ємності кожного конденсатора, і небезпека електричного пробою також в n разів зменшується.

Для прикладу розрахуємо енергію поля зарядженого конденсатора як роботу, здійснювану полем конденсатора у процесі його розряджання. У даному випадку треба розглядати середнє значення напруги на конденсаторі, яка змінюється від Uдо 0.

Виражаючи з формули спочатку q, потім — U, одержимо ще:

Це — загальні формули

Конкретно для плоского конденсатора (користуючись формулою його ємності та формулою ):

де V— об'єм простору між обкладками конденсатора.

Контрольні питання

1. Сформулюйте закон Кулона для точкових електричних зарядів.

2. Назвіть основні характеристики електростатичного поля.

3. Що називають напруженістю електричного поля? Як вона направлене?

4. В чому заключається принцип суперпозиції полів? Де він використовується?

5. Сформулюйте теорему Гауса. В яких випадках вона використовуеться?

6. Що таке „Потенціал”? Яким співвідношенням зв’язані між собою напруженість і потенціал?

7. Назвіть та охарактеризуйте відомі вам види діелектриків. В чому відмінність між ними?

8. Що характеризує відносна діелектрична проникненість?

9. Від чого залежить густина енергії електричного поля?

10. Що таке електростатичний захист?

11. Що називають поляризацією діелектрика?

Література

1. И.В. Савельев, Курс физики, т.2, "Наука", М., 1989, § 1-23.

2. І.М.Кучерук, І.Т.Горбачук, П.П.Луцик, Загальний курс фізики,т.2, „Техніка”, К, 2006, §1.1 -1.26.

11