Для школьников (по материалам учебной литературы).
Вещества, встречающиеся в природе, способны проводить электрический ток в разной степени. По этой способности вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.
Сначала просмотрите предыдущую статью "Зарядка и разрядка конденсатора. Зарядный и разрядный ток проводимости".
Рассмотрим прежде свойства диэлектрика, влияние внешнего электрического поля (электрического поля конденсатора) на поведение диэлектрика, находящегося между обкладками конденсатора.
Диэлектрик в электрическом поле
Диэлектрики - это вещества, почти не имеющие свободных электронов (в отличие от проводников), поэтому в диэлектрике невозможно появление тока проводимости.
Однако электрическое поле оказывает определённое влияние на диэлектрик, так как в нём есть положительные и отрицательные заряды. Это влияние определяется структурой молекулы диэлектрика.
Чтобы понять поведение диэлектрика в электрическом поле, надо представить себе молекулу диэлектрика.
Все диэлектрики можно разделить на три класса: полярные, неполярные и кристаллические.
Молекула диэлектрика, как и любого вещества, состоит из атомов. Электроны в атомах диэлектрика связаны с ядром атома так, что не могут оторваться от атома (находятся в связанном состоянии).
Но внешнее электрическое поле (пусть это будет поле конденсатора) оказывает действие на заряды, находящиеся внутри молекулы, смещая их в пределах молекулы (положительные заряды смещаются по полю, а отрицательные - против направления поля).
Молекулу диэлектрика можно представить в виде диполя - системы, состоящей из положительного и отрицательного зарядов (равных по модулю), расположенных на расстоянии l друг от друга.
Положительный заряд диполя равен суммарному заряду ядер молекулы диэлектрика, а отрицательный заряд равен суммарному заряду всех электронов молекулы диэлектрика, помещённых в центр масс этих зарядов.
Диполь характеризуется дипольным (электрическим) моментом, равным произведению заряда на расстояние между ними, направленным от отрицательного заряда к положительному:
В молекулах неполярных диэлектриков, к которым относятся молекулы, имеющие симметричное строение (кислород, азот и др.) в отсутствие внешнего электрического поля центры масс положительных и отрицательных зарядов совпадают и их дипольный момент равен нулю.
Если же включить электрическое поле, то в молекулах неполярного диэлектрика происходит смещение зарядов и молекула приобретает дипольный момент.
Молекулы полярных диэлектриков, к которым относится, например, вода имеют несимметричное строение - их дипольный момент даже в отсутствие поля не равен нулю, но дипольные моменты молекул при этом располагаются хаотично.
Внешнее электрическое поле заставляет из выстраиваться упорядоченно - их дипольные моменты направляются вдоль поля (подробно о диполях и влиянии электрического поля на диэлектрик см. в Занятии 51).
Каким бы ни был диэлектрик, при помещении его в электрическое поле на заряды диполя действует электрическая сила, заставляющая диполи выстраиваться по направлению поля (их дипольный момент окажется направленным по полю).
В результате этого вблизи положительно заряженной обкладки конденсатора окажутся связанные отрицательные заряды, с некоторой плотностью, а вблизи отрицательно заряженной обкладки конденсатора - связанные положительные заряды (см. рисунок ниже).
Внутри диэлектрика связанные положительные и отрицательные заряды компенсируют друг друга, а на гранях диэлектрика они оказываются нескомпенсированными, характеризующимися некоторой плотностью.
Связанные заряды разделить нельзя, так как их смещение происходит в пределах молекулы.
Если просуммировать дипольные моменты всех молекул, находящихся в единице объёма однородного изотропного диэлектрика, то получим вектор поляризации Р диэлектрика (если дипольный момент характеризует молекулу диэлектрика, то вектор поляризации Р показывает поведение единичного объёма диэлектрика в электрическом поле, а через поведение единичного объёма судим о поведении диэлектрика в целом).
Поляризация диэлектрика
На рисунке показан некоторый объём диэлектрика, его поляризованное состояние.
Направление вектора поляризации Р диэлектрика совпадает с направлением вектора напряжённости электрического поля конденсатора.
На рисунке Ео - есть вектор напряжённости поля конденсатора, которое создаётся зарядами на его обкладках.
Есв - это напряжённость электрического поля, созданного связанными зарядами. Видим, что поле связанных зарядов направлено навстречу внешнему полю Ео, то есть диэлектрик ослабляет внешнее электрическое поле.
Тогда результирующее поле в диэлектрике Е= Ео - Есв, направлено оно вдоль поля Ео, так как поле Есв всегда меньше внешнего поля.
Основной характеристикой диэлектрика является величина
называемая его диэлектрической проницаемостью (находится из таблицы).
Диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз напряжённость электрического поля Е в диэлектрике меньше напряжённости Ео внешнего электрического поля:
(На рисунке показан диэлектрик, занимающий часть объёма между пластинами конденсатора, чтобы лучше понять происходящее).
В виде диэлектрика в конденсаторе можно представить воздух, но ёмкость такого (воздушного) конденсатора очень мала. Чаще всего используют конденсаторы с твёрдыми диэлектриками - такой диэлектрик мы и представляем рассматривая рисунок.
Следующий рисунок аналогичен предыдущему - на нём показаны направления и длины векторов: поля Ео конденсатора, поля Есв связанных зарядов и результирующего поля Е в диэлектрике:
Теперь посмотрим и поясним рисунком, что происходит в кристаллическом диэлектрике, имеющем ионное строение, при его помещении в электрическое поле.
В узлах кристаллической решётки такого диэлектрика находятся положительные и отрицательные ионы. Например, в узлах решётки кристалла каменной соли находятся положительные ионы натрия и отрицательные ионы хлора.
Под действием электрического поля конденсатора отрицательные ионы кристаллической решётки диэлектрика несколько (в пределах размера ячейки кристалла) смещаются в сторону положительной обкладки конденсатора, а положительные ионы - в сторону отрицательной обкладки конденсатора. В результате кристаллическая решётка диэлектрика упруго деформируется.
Такое состояние диэлектрика называется поляризованностью, а само явление смещения связанных зарядов в диэлектрике под действием внешнего электрического поля называется поляризацией диэлектрика.
Если электрическое поле конденсатора убрать, то ионы диэлектрика вернутся в исходное положение и упругая деформация решётки исчезнет.
Диэлектрическая проницаемость диэлектрика "эпсилон" характеризует степень его поляризации - чем она больше, тем сильнее диэлектрик поляризуется (тем больше смещаются связанные заряды от своих положений равновесия).
Смещаясь, связанные заряды создают своё электрическое поле Есв, направленное навстречу внешнему электрическому полю.
Таким образом, в конденсаторе, заполненном диэлектриком, напряжённость электрического поля уменьшается:
Е= Ео - Есв,
значит уменьшается и напряжение между обкладками конденсатора, согласно формуле, связывающей между собой напряжённость и напряжение:
U=E d,
где d - расстояние между обкладками.
Тогда при тех же зарядах q на обкладках конденсатора ёмкость конденсатора в присутствие диэлектрика увеличивается в "эпсилон" раз (числитель остался прежним, знаменатель дроби уменьшился):
С = q / U.
Так объясняется увеличение ёмкости конденсатора, содержащего диэлектрик, по сравнению с ёмкостью того же конденсатора, когда между его обкладками содержится воздух или создан вакуум.
Увеличение ёмкости конденсатора говорит о том, что он способен накопить на обкладках больший заряд при меньшем напряжении, что хорошо, так как при большом напряжении может произойти пробой диэлектрика и конденсатор выйдет из строя.
Понятие тока поляризации
Вернёмся к рассмотрению кристаллической решётки
Рассмотренное смещение положительных ионов решётки в одном направлении, а отрицательных в противоположном при включении электрического поля происходит во всём объёме диэлектрика.
Когда это смещение положительных и отрицательных ионов диэлектрика происходит, через диэлектрик проходит ток. Ведь под током понимается заряд, проходящий через некоторое сечение (сейчас это будет сечение диэлектрика параллельное обкладкам конденсатора) за единицу времени.
Этот ток, созданный упорядоченным смещением связанных зарядов диэлектрика под действием изменяющегося электрического поля, называется током поляризации.
Отметим отличие тока поляризации в диэлектрике от тока проводимости в проводниках?
Ток проводимости создаётся свободными электронами, способными перемещаться по проводнику на значительные расстояния. Ток проводимости существует всё время, пока есть разность потенциалов на концах проводника.
Ток же поляризации создаётся связанными зарядами, которые лишь незначительно (в пределах размера ячейки решётки) смещаются из своих положений равновесия.
Ток поляризации в диэлектрике существует лишь при изменении электрического поля (когда в диэлектрике возникает, усиливается или исчезает электрическое поле).
Если электрическое поле имеет постоянное значение, то и поляризация диэлектрика будет иметь постоянное значение, то есть заряды сместятся на некоторое расстояние, зависящее от величины приложенного напряжения между обкладками конденсатора (или величины напряжённости Ео поля конденсатора), но тока в диэлектрике не будет.
В предыдущей статье нами рассмотрен процесс зарядки конденсатора при его подключении к источнику постоянного тока (или постоянного напряжения) и рассмотрена кривая зависимости зарядного тока проводимости от времени
В процессе зарядки конденсатора зарядный ток проводимости (в проводе цепи) уменьшается, а напряжение между обкладками конденсатора (значит, и напряжённость поля между обкладками) увеличиваются. В это время в диэлектрике имеет место зарядный ток поляризации.
Таким образом, когда в проводе цепи при зарядке конденсатора существует зарядный ток проводимости, в диэлектрике существует зарядный ток поляризации.
Электрическая цепь с конденсатором, содержащая источник постоянного тока, оказывается замкнутой только во время зарядки конденсатора.
Когда конденсатор полностью зарядится (когда его напряжение станет равным напряжению на клеммах источника постоянного тока) конденсатор разрывает цепь (тока в цепи не будет).
К току поляризации мы ещё вернёмся.
Тема следующей статьи "Каким общим свойством обладают ток проводимости и изменяющееся во времени электрическое поле? Ток поляризации".
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Для школьников предлагаются подборки материала по темам:
!. Механика. Кинематика. Равномерное прямолинейное движение.
2. Равнопеременное прямолинейное движение.
Предыдущая запись: Зарядка конденсатора. Зарядный и разрядный ток проводимости.
Следующая запись:Какое одинаковое свойство имеют изменяющееся во времени электрическое поле и ток проводимости? Ток поляризации.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .