Электростатическое поле в веществе

Все вещества по реакции на внешнее электрическое поле и способности проводить электрический ток делятся на три группы: проводники, диэлектрики и полупроводники.

Проводники отличаются тем, что проводят электрический ток при нормальных условиях, так как в них изначально уже существуют свободные электрические заряды. У проводников первого рода, к которым в основном относятся металлы, свободными зарядами являются электроны, а у проводников второго рода - электролитов - как электроны, так и свободные положительные и отрицательные ионы. Поле внутри проводников, благодаря явлению электростатической индукции всегда равно нулю. Электростатической индукцией называют явление полного разделения зарядов в проводнике, возникающий под действием внешнего поля, при котором весь заряд равномерно распределяется по поверхности. Поэтому поверхность является эквипотенциальной .

Основной характеристикой проводника является электроемкость . Она определяется отношением заряда проводника к потенциалу на его поверхности. Это отношение всегда постоянно и зависит от геометрии проводника и диэлектрических свойств окружающего пространства. Электроемкость проводников можно увеличить, приблизив их, друг к другу. Полученное таким образом устройство называют конденсатором. Конденсатор служит для разделения и накопления электрических зарядов.

Диэлектрики, в отличие от проводников, не проводят электрический ток, так как у них отсутствуют свободные заряды. Однако у них либо изначально (полярные, ионные и сегнетоэлектрики), либо под действием внешнего электрического поля (неполярные) присутствуют связанные заряды – диполи, образованные из атомов, молекул или ионов. Поле в диэлектрике всегда меньше внешнего электростатического поля, так как гасится внутреннем полем, создаваемым связанными зарядами. Внутреннее поле связано с поляризацией среды диэлектрика во внешнем электрическом поле. Поляризацией среды называют процесс установления дипольных моментов по направлению внешнего поля. Поляризация среды характеризуется таким параметром как поляризованность диэлектрика , которая связана с напряженностью внешнего поля . Все диэлектрики делятся на:

полярные диэлектрики с ориентационной поляризацией;

неполярные диэлектрики с электронной поляризацией;

ионные диэлектрики с ионной поляризацией;

сегнетоэлектрики с остаточной поляризацией.

Первые три вида диэлектриков являются изотропными, а последний - анизотропным. Поэтому связь между поляризованностью среды и внешним электрическим полем для первых трех является линейной, а для последнего нелинейной.

Полупроводники, если они чистые (без примесей), не проводят электрический ток при нормальных условиях, так как у них отсутствуют свободные заряды из-за наличия сильной ковалентной связи. Однако под действием света или при нагреве они могут перейти в проводящее состояние, обусловленное разрывом ковалентной связи и возникновением свободных зарядов – электронов и дырок. У примесных проводников уже изначально имеются свободные заряды – либо электроны, либо дырки в зависимости от типа проводимости, поэтому они могут проводить электрический ток даже при нормальных условиях.

При наличии границы раздела сред двух диэлектриков, напряженность электрического поля и связанный с ней вектор электрического смещения, в случае перехода от одной среды к другой испытывают преломление. При этом, благодаря потенциальности электрического поля, сохраняются тангенциальные компоненты напряженности электрического поля, и, при отсутствии сторонних зарядов на границе раздела сред, - нормальные компоненты вектора электрического смещения.

Основные соотношения:

Поляризуемость молекулы:

Определение поляризованности среды:

Связь между поляризованностью и напряженностью внешнего электростатического поля: ,

где - диэлектрическая восприимчивость среды.

Объемная плотность связанных зарядов:

Поверхностная плотность связанных зарядов: ,

где - нормальная компонента поляризованности среды.

Определение для вектора электрического смещения:

Дивергенция (т-ма Гаусса в дифференциальной форме): ,

где - объемная плотность сторонних зарядов.

Связь между напряженностью и вектором электрического смещения: ,

где - относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Связь между диэлектрической проницаемостью и

восприимчивостью среды:

Вектор электрического смещения поля точечного заряда:

Связь между компонентами векторов электрического поля на границе раздела сред:

тангенциальные:

нормальные (в отсутствии сторонних зарядов на поверхности):

Определение электроемкости проводника:

Электроемкости некоторых конденсаторов с разной формой обкладок:

плоский: ,

где - площадь металлических обкладок, а - расстояние между ними.

цилиндрический: ,

где - высота обкладки конденсатора, а - внутренний и внешний радиусы цилиндрических поверхностей.

шаровой: ,

где - внутренний и внешний радиусы шаровых поверхностей.

Соединения конденсаторов:

параллельное: ,

последовательное: ,

где – число конденсаторов в соединении

Энергия системы электрических зарядов:

Энергия заряженного конденсатора:

Плотность энергии электрического поля:

Справочный материал к тестированию по теме:

Дата добавления: 2014-01-20