Диэлектриктер. Диэлектриктердi поляризациялау

Диэлектриктер (немесе изоляторлар) деп электр тогын өткiзбейтiн денелердi айтады.

Изолятордың немесе диэлектриктiң еркiн электр заряды жоқ нейтраль атомдарда электрондар мен ядролар бiр-бiрiмен байланысқан және электр өрiсiнiң әсерiнен бүкiл денеге орынауыстыра алмайды.

Өткiзгiштер мен диэлектриктер электростатикалық өрiсте өздерiн әрқалай ұстайды. Диэлектрик iшiнде электр өрiсi болуы мүмкiн; бұл жағдайда диэлектрик өрiске белгiлi бiр әсер бередi.

Диэлектриктердi екi түрге ажыратады: полярлық емес және полярлық.

Полярлық емес диэлектриктер молекулаларында және атомдарында оң және терiс зарядтардың таралу центрлерi сәйкес келедi. Мысалға, сутегi атомында оң заряд – протон – центрде болады, терiс заряд – электрон – ядро маңайында өте жоғары жылдамдықпен айналады, сондықтан уақыт бойынша орташа терiс зарядтың таралу центрi ортасына келедi, яғни оң зарядталған ядромен сәйкес келедi (4.6 – сурет).

4.6-сурет

Полярлық емес диэлектриктер – инерттi газдар, сутегi, азот, көмiртегi және басқалар.

4.7-сурет

Полярлық диэлектриктер молекулаларында оң және терiс зарядтардың центрлерi сәйкес келмейдi. Мысалға, ас тұзының NaCl пайда болуы кезiнде, жетi валенттiк электрондары бар хлор атомы натрий атомының бiр валенттiк электронын iлестiредi. Өз ядросымен әлсiз байланысқан. Нейтраль атомдардың әрқайсысы таңбалары қарама-қарсы екi ионнан тұратын жүйеге айналады. Үлкен арақашықтықта молекуланың модульдерi бойынша тең және зарядтары бойынша бiр-бiрiнен L арақашықтықта қарама-қарсы екi нүктелiк зарядтардың жиынтығы ретiнде қарастыруға болады. Бұндай зарядтардың бүтiндей нейтраль жүйесiн электр диполi деп атайды (4.7 – сурет).

Электр диполiнiң негiзгi сипаттамасы диполь (электр) моментi деп аталатын векторлық физикалық шама болып табылады. Бұл моменттiң модулi заряд q модулiнiң арақашықтыққа L көбейтiндiсiне тең:

(4.5)

Дипольдiк момент бағыты дипольдiң терiс зарядтан оң зарядқа қараған осiмен сәйкес келедi.

Полярлық диэлектриктерге спирт, су және басқа заттар жатады.

Диэлектриктiң iшкi электр өрiсiне орынауыстыру кезiнде поляризация процесi жүредi. Поляризация деп диэлектриктiң оң жәнен терiс байланысқан зарядтарының қарама-қарсы бағыттарда араласуын айтады.

Полярлық диэлектриктiң поляризациясы. Iшкi электр өрiсiне енгiзген кезде полярлық диэлектриктiң әрбiр диполiне модульдары бойынша бiрдей және бағыттары бойынша қарама-қарсы екi күш әсер ете бастайды. Олар, өрiс күш сызықтары бойымен бағытталған ось бойынша бұрайтын, күш моментiн жасайды. Бұл жағдайда дипольдiң оң шетi электр өрiсi бағытына, ал терiс жағы – керi бағытта ойысады. Дипольдiк молекулалардың қатаң бағытталуына олардың жылулық қозғалысы кедергi жасайды. Сондықтан өрiстiң әсерiнен электрлiк дипольдердiң бағытталуы байқалады. Диэлектрик бетiнде байланысқан заряд туындайды. Диэлектрик iшiнде дипольдердiң оң және терiс заряды бiр-бiрiн теңгередi және орташа байланысқан заряд бұрынғыдай нөлге тең.

Полярлық емес диэлектриктiң поляризациясы. Iшкi электр өрiсiне орналасқан полярлық емес диэлектрикте молекулалардың оң және терiс зарядтардың бiр-бiрiне қатысты араласуы өтедi. Оң және терiс зарядтардың центрлерiнiң таралуы сәйкес келмейдi (беттеспейдi). Бұндай деформацияланған молекулаларды осi өрiс бойымен бағытталған электрлiк диполь ретiнде қарастыруға болады. Диэлектрик бетiнде полярлық диэлектриктi поляризациялау кезiндегiдей байланысқан зарядтар бола бастайды.

Диэлектрик iшiнде дипольдердiң оң және терiс заряды бiр-бiрiн теңгередi және орташа байланысқан заряд бұрынғыдай нөлге тең.

4.8-сурет

Диэлектрик бетiндегi байланысқан заряд, iшкi өрiстiң кернеулiгiне керi бағытталған өзiнiң кернеулiгi меншiктi электр өрiсiн туғызады (4.8 – сурет).

Сондықтан диэлектрик iшiндегi қорытқы өрiс бәсеңдейдi. Бәсеңдеу дәрежесi диэлектриктiң қасиетiне байланысты.

Ортаның диэлектриктiк өтуi (енуi) деп бiртектi диэлектрик iшiнде электр өрiсi кернеулiгiнiң модулi бостықтағы (вакуумдегi) өрiс кернеулiгi модулiнен неше есе кем екенiн көрсететiн физикалық шама:

(4.6)

§ 4.6 Зарядтың орынауыстыруы кезiнде электр өрiсiнiң жұмысы

Заряд q орынауыстырған кезде, оған өрiс тарапынан әсер ететiн күш жұмыс жасайды. Сәйкесiнше, электр өрiсiндегi зарядталған дене энергияға ие болады.

4.9-сурет

Қарама-қарсы зарядқа ие үлкен металл пластиналар кернеулiгi бiртектi өрiс тудырады (4.9 – сурет). Бұл өрiс зарядқа тұрақты күшпен әсер етедi. Онда оң зарядталған зарядтың терiс зарядталған пластинадан қашықтықтағы 1 нүктеден осы пластинадан < қашықтықтағы 2 нүктеге орынауыстыруы кезiнде өрiстiң жасайтын жұмысы мына формуламен анықталады:

(4.7)

1 мен 2 нүктелерi бiр күштiк сызық бойында жатады.

Кулон күшiнiң жұмысы траектория формасынан тәуелсiз.

Кез келген электростатикалық өрiс жұмысы зарядтың тұйық траектория бойымен орынауыстыру кезiнде барлық уақытта нөлге тең. Бұндай қасиетке ие өрiстер потенциальдық деп аталады.

Кулон күшi потенциалдық болып табылады. Потенциал күштердiң жұмысы терiс таңбамен алынған потенциалдық энергия өзгерiсiне тең:

(4.8)

Бiртектi электростатикалық өрiсте зарядтың потенциалдық энергиясы мынаған тең:

(4.9)

Потенциалдық энергияның нөлдiк деңгейi әр қалай алынады. Себебi, физикалық мағынаға потенциалдық энергияның өзi емес, зарядтың бастапқы орнынан соңғы орынға орынауыстыруы кезiнде өрiстiң жасайтын жұмысынан анықталатын – потенциалдар айырымы ие.

Электр өрiсiнiң күш сызықтары потенциалдық энергияның кему бағытын көрсетедi. Егер өрiс оң жұмыс жасаса, онда өрiстегi зарядталған бөлшектiң потенциалдық энергиясы кемидi, және онымен бiр уақытта, энергияның сақталу заңы бойынша, оның кинетикалық энергиясы өседi, бөлшек үдеуi өседi (электр лампасындағы электрондар үдемелi қозғалады). Керiсiнше, терiс жұмыс iстегенде потенциалдық энергия өсiп, кинетикалық энергия кемидi, яғни бөлшек тежеледi.

Гравитациялық өрiспен ұқсастығы.

Масса орын ауыстырғанда гравитациялық өрiстiң жасаған жұмысы потенциалдық энергияны азайтады.

+q оң заряды орын ауыстырғанда электр өрiстiң жасаған жұмысы потенциалдық энергияны азайтады

Дата добавления: 2015-06-04