Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Головко

§ 4. Речовина в електричному полі

Опрацювавши цей параграф, ви з'ясуєте особливості впливу речовини на інтенсивність та характер електростатичного поля.

ПРОВІДНИКИ В ЕЛЕКТРИЧНОМУ ПОЛІ. Електричні характеристики середовища визначаються рухливістю в ньому заряджених частинок. Рухливість заряджених частинок у середовищі визначається будовою атомів речовини та їх взаємним розміщенням.

Усі речовини за концентрацією та рухливістю в ньому заряджених частинок поділяють на провідники, діелектрики і напівпровідники.

У провідниках є заряджені частинки, здатні переміщатися всередині провідника під впливом електричного поля. Їх називають вільними зарядами.

Провідниками є всі метали, деякі хімічні сполуки, водні розчини солей, кислот, лугів, розплави солей тощо.

У металах носіями вільних зарядів є електрони. Вільні електрони можуть вільно рухатися по всьому об'єму металу в будь-якому напрямі під дією електричного поля. Електрони зовнішніх оболонок втрачають зв'язки з конкретними атомами та утворюють електронний газ, в якому перебувають позитивно заряджені йони кристалічних ґраток.

У розчинах солей вільними зарядами є позитивно і негативно заряджені йони. Вільними також можуть бути надлишкові заряди, що надані речовині ззовні.

За відсутності зовнішнього електричного поля негативний заряд електронів металевого провідника компенсується позитивним зарядом ядер його атомів. Якщо провідник внести в електричне поле, всередині провідника під дією поля виникне впорядкований рух вільних носіїв електричного заряду. Внаслідок такого руху на одному боці провідника утвориться надлишковий негативний заряд, а на іншому боці провідника їх нестача, яка призведе до утворення там надлишкового позитивного заряду, тобто в провіднику відбудеться розподіл зарядів, хоча в цілому провідник лишається незарядженим. У цьому можна переконатися, вийнявши провідник з електричного поля.

Явище утворення електричних зарядів на поверхні провідника, внесеного в електростатичне поле, називається явищем електростатичної індукції.

Отже, діелектрик послаблює електричне поле.

Рис. 4.1. Провідник за відсутності електричного поля (а) та в електричному полі (б)

Це зумовить те, що напруженість результуючого поля всередині провідника дорівнюватиме нулю, оскільки напруженості зовнішнього і внутрішнього полів однакові за величиною і напрямлені протилежно:

E = E₀ + Е_вн = 0

Отже, електростатичне поле всередині провідника відсутнє.

Електростатичний захист

ДІЕЛЕКТРИКИ В ЕЛЕКТРИЧНОМУ ПОЛІ. Діелектриками, або ізоляторами, називають речовини, які за певних умов не мають вільних носіїв електричного заряду. Проте якщо умови змінюються, наприклад, під час нагрівання, в діелектрику можуть виникнути вільні електричні заряди. Отже, поділ речовин на провідники і діелектрики є умовним.

До діелектриків належать усі гази за нормальних умов, рідини (гас, спирти, ацетон, дистильована вода та ін.), тверді тіла (скло, пластмаси, сухе дерево, папір, гума тощо).

Якщо полярний діелектрик помістити в електричне поле, то його молекули починають повертатися своїми позитивними зарядженими частинами до негативно заряджених пластин зовнішнього поля, а негативно зарядженими — до позитивно заряджених пластин (рис. 4.3). У результаті на поверхні діелектрика виникає досить тонкий шар зарядів протилежних знаків, які й створюють зустрічне поле.

Рис. 4.3. Діелектрики в електричному полі

Однак на відміну від провідників це поле вже не здатне повністю компенсувати зовнішнє, а лише послаблює його в декілька разів. Отже, на відміну від провідників усередині діелектрика електричне поле може існувати.

Явище зміщення електричних зарядів діелектрика під впливом зовнішнього електричного поля, яке зумовлює виникнення протилежного за напрямом внутрішнього електричного поля, називають поляризацією діелектрика.

Однак, якщо в електричному полі розділити поляризований діелектрик на дві частини, то ми не одержимо різнойменно заряджених тіл. У цьому полягає ще одна відмінність поведінки діелектриків від провідників у електричному полі.

Саме поляризацією діелектрика пояснюється притягання незарядженого діелектрика до електрично зарядженого тіла. Наприклад, електричне поле зарядженої палички діє на молекули, з яких складається папір. Унаслідок цього речовина поляризується. У результаті на ближчій до палички частині шматочка паперу утворюється заряд, який за знаком є протилежним заряду палички, і тому шматочки паперу притягуються до палички.

До неполярних молекул відносять H₂, N₂, О₂. Наприклад, молекула водню не містить йонів. Якщо зовнішнього електричного поля немає, центри позитивних і негативних зарядів молекул збігаються. Діелектрики, що складаються з таких молекул, називають неполярними Діелектриками.

Під дією зовнішнього електричного поля електрони в атомах зміщуються проти напряму вектора напруженості та утворюють диполі. Диполі орієнтуються певним чином в електричному полі, і деелектрик поляризується.

ВІДНОСНА ДІЕЛЕКТРИЧНА ПРОНИКНІСТЬ. Напруженість сумарного поля зв'язаних зарядів напрямлена протилежно напруженості зовнішнього поля. Внаслідок цього поле всередині діелектрика послаблюється (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Напруженість результуючого поля в діелектрику менша за напруженість поля, створюваного вільними зарядами

Зменшення напруженості електричного поля в середовищі, якщо порівнювати з вакуумом, характеризується відносною діелектричною проникністю середовища.

Відносна діелектрична проникність середовища (ε) — число, яке показує, у скільки разів напруженість електричного поля в однорідному діелектрику менша, ніж напруженість у вакуумі:

Зменшення напруженості електричного поля в діелектрику призводить до того, що сила взаємодії точкових зарядів q₁ і q₂, які перебувають у діелектрику на відстані r один від одного, також зменшується в ε разів:

Явище поляризації частинок пилу в сильному електричному полі застосовується в електричних фільтрах у вугільній промисловості, а також для очищення газу.

Детальніше...

! Головне в цьому параграфі

Електричне поле всередині провідника дорівнює нулю (сумарний від'ємний заряд скомпенсований додатнім зарядом).

На відміну від провідників, усередині діелектрика електричне поле може існувати. В діелектриках, внесених у зовнішнє електричне поле, електричні заряди зміщуються внаслідок виникнення протилежного за напрямом внутрішнього електричного поля (поляризація діелектрика).

? Знаю, розумію, вмію пояснити

1. На які два типи поділяють молекули речовини за характером просторового розподілу в них зарядів? 2. Які заряди називають вільними, а які зв'язаними? 3. Що відбувається з провідником, якщо вмістити його в електричне поле? 4. Поясніть, як можна наелектризувати тіло за допомогою електричного впливу. 5. Як діє зовнішнє електричне поле на молекули неполярного діелектрика? 6. Як впливає наявність діелектрика на сили кулонівської взаємодії? 7. У чому полягає дія зовнішнього електричного поля на молекули полярного діелектрика? 8. Що називають поляризацією діелектриків? 9. Чому діелектрик послаблює електричне поле? 10. Поясніть, на чому ґрунтується електростатичний захист. 11. Як використовується явище поляризації на практиці?

Вправа до § 4

• 1(с). Металеву пластинку зарядили негативним зарядом. Поясніть, що відбулося при цьому з деякою частиною атомів.
• 2(с). Заряджена паперова гільза підвішена на шовковій нитці. Якщо наблизити руку до гільзи, вона притягається до руки. Поясніть це явище.
• 3(д). Металеву паличку натирають вовняною тканиною. Після цього тканина починає притягувати дрібні шматочки паперу, а паличка — ні. Поясніть, чому так відбувається.
• 4(д). На тонких шовкових нитках підвішені дві однакові паперові кульки. Одна заряджена, інша — незаряджена. Як визначити, яка з кульок заряджена, якщо не дається жодних додаткових приладів і матеріалів?
• 5(в). Поясніть, як зміниться відхилення стрілки зарядженого електрометра, якщо піднести до нього (не торкаючись) тіло, що має однаковий із ним заряд, а потім тіло з протилежним зарядом.