Предыдущий урок: Физика для чайников. Урок 18. Электрическое поле
На прошлом уроке мы с вами узнали, что такое электрическое поле. А теперь давайте представим, что мы в электрическое поле помещаем какой-нибудь проводник (например, кусок металла). Объясняю, что такое проводник с точки зрения физики. Под проводником подразумевается вещество, в котором имеются свободные заряды. Например, металлы. Откуда они берутся, эти свободные заряды? Вы знаете, что вещество состоит из атомов. Атом из ядра (которое заряжено положительно) и вращающихся вокруг него электронов (отрицательно заряженных). Эти заряды уравновешивают друг друга, поэтому атом имеет нулевой заряд. Но что если ядро не сможет удержать какой-нибудь электрон? Например, тот что на дальних орбитах? Он улетит в «свободное плавание». Вот откуда в проводнике берутся свободные заряды.
Может ли электрон покинуть проводник? Давайте представим, что из этого получиться. В проводнике есть атомы, потерявшие электроны. Это положительно заряженные ионы. Но их заряд уравновешивают свободные электроны. Поэтому заряд проводника равен нулю. Но если один электрон покинет проводник, то равновесие нарушиться. Проводник окажется положительно заряженным и будет притягивать «убегающий электрон». Если у него хватит энергии, то электрон уйдет на «недосягаемое расстояние». Но с каждым следующим электроном заряд проводника будет расти, поэтому каждому следующему электрону будет труднее покинуть проводник. С другой стороны, если поблизости заряженного таким образом проводника окажется электрон, то от притянет его, и заряды компенсируются. Вот почему свободные электроны не вылетают из проводника. Ну, или почти не вылетают.
А теперь вернёмся к нашему мысленному эксперименту с помещением проводника в электрическое поле. Что произойдет? Свободные заряды начнут двигаться. И соберутся у краев проводника. С этого момента движение прекратится. Но в проводнике возникнет свое собственное электрическое поле. И оно будет направлено в сторону, противоположному внешнему. Но одинаковое по силе. И таким образом, эти два поля компенсируют друг друга, и никакого поля внутри проводника не будет. Почему? Потому что если оно будет, то свободные заряды начнут двигаться, создавая поле против того, которое их движет. И как только наступит равновесие, движение прекратится. Это явление используется для защиты от помех проводов, по которым иду сигналы – их оборачивают в металлическую трубочку (экранируют):
А теперь поместим в электрическое поле диэлектрик (в котором ядра и электроны связаны сильно, поэтому в них нет свободных электронов). Что с ним произойдет? А практически ничего. Если не считать того, что молекулы немножко вытянутся. С одной стороны будет точечный отрицательный заряд, с другой положительный. Такая молекула называется диполь. И тут возможно две ситуации:
· Центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают, причем, даже при отставили внешнего элегического поля. Так происходит у полярных диэлектриков, таких как спирты, вода и так далее.
· Центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Так происходит у неполярных диалектиках, таких, например, как инертные газы, кислород, водород, бензол, полиэтилен и др.
Итак, под действием электрического поля молекулы диэлектрика стремятся немного втянуться и ориентироваться вдоль линий этого поля. Такое явление называется поляризацией. Но под действием теплового движения молекул ориентированные диполи стремятся вернутся к хаосу. Поэтому, не все молекулы поляризованы. Но те, которые поляризованы, ослабляют внешнее электрическое поле, так как создают свое поле, противоположное внешнему. Но, еще раз повторяю, в отличии от проводников диэлектрики только ослабляют поле, а не гасят его вовсе. А вот величина, показывающая, во сколько раз диэлектрик ослабляет поле, называется диэлектрическая проницаемость. Эта величина обозначится греческой буков эпсилон и вычисляется оп формуле:
где E0 – напряженность электрического поля в вакууме, E – в данном диэлектрике.
Следующий урок: Физика для чайников. Урок 20. Что такое напряжение