Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 2. Речовина в електричному полі. Провідники і діелектрики в електричному полі

Речовина, внесена в електричне поле, може істотно змінитися. Це пов’язано з тим, що вона складається із заряджених частинок. За відсутності зовнішнього поля частинки розподіляються всередині речовини так, що створюване ними електричне поле дорівнює нулю. За наявності зовнішнього поля відбувається перерозподіл заряджених частинок, і в речовині виникає власне електричне поле. Повне електричне поле складається відповідно до принципу суперпозиції із зовнішнього поля і внутрішнього поля, яке створюється всередині речовини.

Розглянемо два класи речовин: провідники і діелектрики.

Основна особливість провідників — це наявність вільних зарядів (електронів), які беруть участь у тепловому русі і можуть переміщуватися по всьому об’єму провідника. Типовими провідниками є метали. За відсутності зовнішнього поля в будь-якому елементі об’єму провідника негативний вільний заряд компенсується позитивним зарядом іонних ґраток. У провіднику, внесеному в електричне поле, відбувається перерозподіл вільних зарядів, унаслідок чого на поверхні провідника виникають позитивні і негативні заряди, що не компенсуються (мал. 1.6). Цей процес називають електростатичною індукцією, а заряди, що з’явилися на поверхні провідника, — індукційними зарядами.

Мал. 1.6

Індукційні заряди створюють своє власне поле, яке компенсує зовнішнє поле в усьому об’ємі провідника (усередині провідника). Повне електростатичне поле всередині провідника дорівнює нулю.

Усі внутрішні області провідника, внесеного до електричного поля, залишаються електронейтральними. Якщо видалити деякий об’єм, виділений усередині провідника, і утворити порожнину, то електричне поле всередині порожнини дорівнюватиме нулю (мал. 1.7). На цьому ґрунтується електростатичний захист — чутливі до електричного поля прилади для уникнення впливу поля поміщають у металеві ящики.

Мал. 1.7

На відміну від провідників у діелектриках (ізоляторах) немає вільних електричних зарядів. Вони складаються з нейтральних атомів або молекул. Заряджені частинки в нейтральному атомі зв’язані одна з одною і не можуть переміщуватися під дією електричного поля.

Цікавою властивістю діелектриків є їхня поляризація під дією електричного поля.

Поляризація діелектрика — явище впорядкованого переорієнтування молекул діелектрика під дією зовнішнього електричного поля.

У результаті поляризації разом з молекулами перерозподіляються і їхні електрично заряджені частинки. Отже, що в одному напрямку відносно силових ліній поля переважають позитивно заряджені частинки, а в протилежному — негативно заряджені.

Цікаво, що в результаті поляризації в діелектрику з’являється власне електричне поле, яке спрямоване протилежно до зовнішнього, яке й спричинило цю поляризацію. І хоча внутрішнє поле значно менше від зовнішнього, спостерігається ефект досить істотного ослаблення останнього.

Серед твердих діелектриків існує група речовин, які можуть тривалий час зберігати наелектризований стан (бути поляризованими) за відсутності зовнішнього електричного поля. Їх називають електретами. Подібні властивості мають ряд органічних (парафін, бджолиний віск, нейлон, ебоніт тощо) і неорганічних (сірка, борне скло тощо) речовин.

Така властивість електретів зумовлена тим, що виникає залишкова поляризація, оскільки на процеси поляризації та деполяризації потрібен різний час. Прискорити процес деполяризації можна шляхом підвищення температури діелектрика. Час збереження поляризації без помітного її зменшення в різних електретів різний. У деяких електретів він може сягати кількох десятків років. Електрети застосовують як джерела постійного електричного поля у техніці, зокрема в електрографії.

Для характеристики діелектриків уводять поняття діелектрична проникність.

Діeлeκтрична проникність (діeлeκтрична стала) середовища ε — безрозмірна величина, що характеризує ізоляційні властивості середовища. Вона показує у скільки разів взаємодія між зарядами в однорідному середовищі менша, ніж у вакуумі.

Діелектрична проникність деяких діелектриків за певної температури набуває великих значень. Спочатку таку властивість було виявлено у кристалів сегнетової солі, і тому всі діелектрики цього типу отримали назву сегнетоелектрики. Цей термін увів у науку Ігор Курчатов (1903-1960) у 30-х роках XX ст.

Ігор Курчатов

Діелектрична проникність сегнетової солі може перевищувати діелектричну проникність вакууму в кілька тисяч разів. Вона помітно змінюється зі зміною напруженості зовнішнього електричного поля.

Аномально велика діелектрична проникність сегнетоелектриків спричинена виникненням у цих речовин у певному інтервалі температур вираженої спонтанної (самодовільної) поляризації. Навіть за відсутності зовнішнього електричного поля окремі ділянки кристала сегнетоелектрика (домени) виявляються поляризованими, але в різних напрямках. Тому в цілому весь кристал сегнетоелектрика поводить себе так, ніби він зовсім не поляризований. Під дією електричного поля відбувається зміна напрямку поляризації (зміна орієнтації) доменів — вони повертаються в напрямку цього поля. Сегнетоелектрик частково зберігає свою поляризацію і тоді, коли його видалити з поля.

Виявляється, що домени є в сегнетоелектриках лише в певному інтервалі температур і саме за цих температур у них зберігаються сегнетоелектричні властивості. Наприклад, сегнетова сіль має ці властивості лише за температури від -15 до 22,5 °С.

Сегнетоелектрики використовують для виготовлення генераторів і приймачів ультразвукових хвиль та інших радіотехнічних пристроїв.

Вивчення властивостей твердих діелектриків показало, що деякі з них поляризуються не лише за допомогою електричного поля, а й у процесі деформації внаслідок механічної дії на них.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Що відбувається з речовиною, внесеною в електричне поле?
  • 2. Чим відрізняються провідники від діелектриків?

Дослідіть, у яких галузях використовуються діелектрики.