Электрическое поле в диэлектрике. Диэлектрическая проницаемость. Свойства полярных диэлектриков: пиро-, пьезо, сегнетоэлектричество

Заряды, входящие в состав молекулы диэлектрика назыв. связанными. Под действием поля связанные заряды могут только немного смещаться от своих положений равновесия и не могут покинуть пределы молекулы, в которую они входят. ами.

Заряды, которые находятся в диэлектрике, но не входят в состав молекул или заряды за пределами диэлектрика назыв. сторонними.

Поле в диэлектрике является суперпозицией полей созданных сторонними зарядами и полей, созданных связанными зарядами. Результирующее поле назыв. Микроскопическим (или истинным):

.

Т. к. микроскопическое поле сильно изменяется в пределах молекулярных расстояний, используют усредненные по физически бесконечно малому объему значение этих величин. . Усредненное микроскопическое поле , поле сторонних зарядов , поле связанных зарядов и макроскопическое поле – величина . Поляризованность Р – макроскопическая величина, поэтому при ее вычислении под полем надо подразумевать векторную сумму полей сторонних зарядов и связанных. В вакууме связанных зарядов нет и поле равно полю сторонних зарядов. Можно полу почить связь между плотностью связанных зарядов и дивергенцией поляризованности плотность связанных зарядов равна дивергенции поляризованности Р, взятой с обратным знаком. Связанные заряды имеют теже свойства, что и другие заряды, только не могут покинуть молекулы.

В частности они служат источниками электрического поля, поэтому если плотность связанных зарядов не равна нулю, дивергенцию напряженности поля надо писать в виде: , ρ – плотность сторонних зарядов. некоторые преобразования получим

. Подставляя получим и .

).

В случае, когда внутри диэлектрика нет сторонних зарядов, .

Перепишем формулу для дивергенции электрического поля в виде

, след. . Выражение в скобках обозначим D - электрическое смещение (или электрическая индукция Т.о. , безразмерная величина - назыв. Относительной диэлектрической проницаемостью или диэлектрической проницаемостью среды.

, т.е. вектор смещения пропорционален вектору напряженности поля. Единица смещения – Кл/м². Поток вектора электрического смещения через замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности сторонних зарядов . В вакууме Р =0, так что .Единица потока – Кл.

Сегнетоэлектрики.

Сущ. Группа веществ, которые могут обладать спонтанной (самопроизвольной) поляризуемостью в отсутствие вешнего поля.Это явление было первоначально открыт для сегнетовой соли, поэтому вещества с такими свойствами назыв. сегнетоэлектриками.

Особенности сегнетоэлектриков:

1.у обычных диэлектриков ε несколько единиц и в исключительных случаях, как у воды ε=81 несколько десятков единиц, у сегнетоэлектриков ε бывает порядка нескольких тысяч.

2.Зависимость Р от Е не является линейной, и след. диэлектрическая проницаемость зависит от напряженности поля.

3.При изменении поля значение поляризованности Р зависит не только от величины поля в данный момент, но и от величины поля в предшествующие моменты, те.е. зависит от предистории диэлектрика. Это явление называется гистерезисом. (Петля гистерезиса,

Сегнетоэлектриками могут быть только кристаллические вещества, у которых отсутствует центр симметрии. Взаимодействие частиц в кристалле приводит к тому, что их дипольные моменты спонтанно устанавливаются параллельно друг другу. Для каждого сегнетоэлектрика имеется характерная температура при которой вещество утрачивает необычные свойства. Эта температура назыв. точкой Кюри. Напр., сегнетовая соль имеет точку Кюри -15 С и +22С.

Пироэлектрики – кристаллические диэлектрики, на поверхности которых при изменении температуры возникают электрические заряды. Появление электрических зарядов связано с изменением спонтанной поляризации. Такими свойствами обладают кристаллы турмалина.

Пьезоэлектрики – вещества, в которых при определенных упругих деформациях (напряженностях) возникает электрическая поляризация даже в отсутствие электрического внешнего поля. (прямой пьезоэффект), и наоборот под воздействием электрического поля возникает механические деформации (обратный пьезоэффект). Наблюдается только в кристаллах, не имеющих центра симметрии. Используется в технике для преобразования механических колебаний в электрические и наоборот. Это основные материалы акустоэлектроники. Пьезозажигалка в быту.

 

 

Постоянный электрический ток. Сила и плотность тока. Электродвижущая сила. Сопротивление проводников. Последовательное и параллельное соединение проводников. Закон Ома для однородного и неоднородного участков цепи.

Всякое упорядоченное движение заряженных частиц называется электрическим током. За направление тока условно принимают направление движения положительных зарядов. Электрический ток, проходящий через данную поверхность, характеризуется силой тока I.

Сила тока есть скалярная величина, численно равная заряду dq, который переноситься через площадку S в единицу времени, т.е.

(17.1)

Если за любые равные промежутки времени через любое сечение проводника проходят одинаковые количества электричества и направление движения зарядов не изменяется, то такой ток называется постоянным и тогда I=q/t. В системе СИ единица тока является основной и носит название - Ампер.

Электрический ток может быть распределен по поверхности, через которую он течет, неравномерно.dI Для характеристики направления электрического тока в различных точках рассматриваемой поверхности и распределения силы тока по этой поверхности вводится вектор плотности тока Он совпадает по направлению с движением положительно заряженных частиц -носителей заряда и численно равен отношению силы тока dI сквозь малый элемент поверхности, нормальной к направлению движения заряженных частиц, к площади dS этого элемета

17.2

Если ток постоянный, то выражение (17.2) можно переписать в виде:

т.е. плотность тока есть векторная величина, направленная вдоль вектора скорости упорядоченного движения положительных зарядов и численно равная количеству электричества, протекающего за единицу времени через единицу площади, ориентированной перпендикулярно току.

Если в проводнике создать электрическое поле и не принять мер для его поддержания, то, как было уже установлено, перемещение носителей заряда приведет очень быстро к тому, что поле внутри проводника исчезнет и, следовательно, ток прекратиться

Для того чтобы поддерживать ток достаточно долго, нужно от конца проводника с меньшим потенциалом (носители тока предполагаются положительными) непрерывно отводить приносимые сюда током заряды, а к концу с большим потенциалом непрерывно их подводить. Т.е. необходимо осуществить круговорот зарядов, при котором они двигались бы по замкнутому пути (17.1). Циркуляция вектора напряженности электростатического поля равна нулю. Поэтому в замкнутой цепи наряду с участками, на которых положительные заряды движутся в сторону убывания потенциала, должны иметься участки, на которых перенос положительных зарядов происходит в направлении возрастания , т.е. против сил электростатического поля.

Перемещение, зарядов на этих участках возможно лишь с помощью сил не электростатического происхождения, называемых сторонними силами. Таким образом, для поддержания тока необходимы сторонние силы, действующие либо на всем протяжении цепи, либо на отдельных ее участках. Они могут быть обусловлены химическими процессами, диффузией носителей заряда в неоднородной среде или через границу двух разнородных, веществ, электрическими (но не электростатическими) полями, порожденными меняющимися во времени магнитными полями и т.д.

Сторонние силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по цепи зарядами. Эта работа складываеться из работы, совершаемой против электрического поля внутри источника тока (А_ист и работы, совершаемой против сил сопративления среды (А’), т.е. А_ст=А_ист+А’

Величина, равная отношению работы, которую совершают сторонние силы при перемещении точечного положительного заряда вдоль всей цепи, включая и источник тока, к заряду, называется электродвижущей силой источника тока:

(17.3)

Работа против сил электрического поля, по определению равна

Если полюсы источника разомкнуты, то и тогда

т.е. эдс источника тока при разомкнутой внешней цепи равна разности потенциалов, которая создается на его полюсах.

Таким образом, размерность эдс совпадает с размерностью потенциала. Поэтому измеряется в тех же единицах, что и - в вольтах. Стороннюю силу F_ст, действующую на заряд, можно представить в виде

F_ст=E*q

Векторную величину Е* называют напряженностью поля сторонних сил. Работу сторонних сил над зарядом q на всём протяжении замкнутой цепи можно выразить следующим образом:

Разделив эту работу на q, получим эдс, действующую в цепи:

Таким образом, эдс, действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил.

Для участка цепи электродвижущая сила, действующая на некотором участке 1 -2, очевидно равна

Кроме сторонних сил на заряд действуют силы электростатического поля

Следовательно, результирующая сила, действующая в каждой точке цепи на заряд q, равна

Работа, совершаемая этой силой над зарядом q на участке цепи 1-2, дается выражением

Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна нулю, так что

Величина, численно равная работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется падением напряжения или просто напряжением U на данном участке цепи. Из уравнения следует, что

.

При отсутствии сторонних сил напряжение U совпадает с разностью потенциалов

Закон Ома для однородного участка цепи

Однородным называется участок цепи, в котором не действуют сторонние силы.

Ом экспериментально установил закон, согласно которому сила тока, текущего по однородному металлическому проводнику, пропорциональна падению напряжения U на проводнике:

Величина R называется электрическим сопротивлением проводника. Единицей сопротивления служит Ом, равный сопротивлению такого проводника, в котором при напряжении 1В течет ток в 1 А.

Величина сопротивления зависит от формы и размеров проводника, а также от свойств материала, из которого он сделан. Для однородного цилиндрического проводника.

где - длина проводника, S - площадь поперечного сечения, - зависящий от свойств материала коэффициент, называемый удельным электрическим сопротивлением вещества.