Презентация на тему "Типы и поэлиризация диалектиков"

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  Физика Электростатика (продолжение) 1

• 
  Слайд 2
  

  2 10.8. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков. В зависимости от вида молекул диэлектрики делятся на три группы. Первую группу диэлектриков составляют вещества, молекулы которых симметричны (Н2, О2, СО2). Центры положитель­ных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают и дипольный момент молекулы р равен нулю. Молекулы таких диэлект­риков называются неполярными. Диэлектриком называется вещество, не проводящее электрический ток. Основное свойство диэлектрика – способность поляризоваться во внешнем электрическом поле.

• 
  Слайд 3
  

  3 Вторую группу диэлектриков составляют вещества, молеку­лы которых имеют асимметричное строение (H2O, CO,...). Центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Молекулы таких диэлектриков в отсутствие внешнего электрического поля обладают дипольным моментом. Они называются полярными. При отсутствии внешнего поля суммарный дипольный момент равен нулю. Под действием внешнего поля молекулы ориентируются одинаково, и в результате возникает результирующий момент.

• 
  Слайд 4
  

  Ионные кристаллы можно рассматривать, как совокупность двух подрешеток, который под действием внешнего поля сдвигаются, образуя дипольные моменты. У всех трех видов диэлектриков под действием внешнего поля появляется дипольный (электрический) момент. Это явление называется поляризацией. Третью группу диэлектриков составляют вещества, молекулы которых имеют ионное строение (NaCl, KCl ...) . Ионные кристаллы представляют собой простра­нственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков.

• 
  Слайд 5
  

  5 Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появления под воздействием внешнего электрического поля ориентированных по полю диполей. Соответственно трем группам диэлектриков различают три вида поляризации: Электронная, или деформационная поляризация. Она заключается в возникновении у атомов дипольного момен­та за счет деформации электронных орбит. Электроны деформированных оболочек образуют с положительными зарядами ядер атомов пару взаимно связанных зарядов, которые называются упругими диполями.

• 
  Слайд 6
  

  6 2. Ориентационная, или дипольная, поляризация диэлектрика с полярными молекулами. Она заключается в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул по полю. 3. Ионная поляризация диэлектриков с ионными кристаллическими решетками, заклю­чающаяся в смещении подрешетки положительных ионов вдоль поля, а отрицатель­ных — против поля, приводящем к возникновению дипольных моментов.

• 
  Слайд 7
  

  7 Поляризованность и напряженность поля в диэлектрике При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле он поляризуется, т. е. приобретает отличный от нуля дипольный момент: Для количественного описания поляризации диэлектрика пользуются векторной величиной — поляризованностью. Поляризованность – дипольный момент единицы объема диэлектрика. Поляризованность Р линейно зависит от напряженности поля Е: — диэлектрическая восприимчивость вещества,характеризующая свойства ди­электрика.

• 
  Слайд 8
  

  8 Пластина из однородного диэлек­трика помещена в однородное внешнее электрическое поле Е0. Под действием поля диэлектрик поляризуется, т. е. происходит смещение зарядов: положительные смещаются по полю, отрицательные — против поля. Заряды +s’и -s’называются связанными зарядами, появляющиеся в результате поля­ризации диэлектрика. Связанные заряды вызывают появление электрического поля Е', кото­рое направлено против внешнего поля Е0 . Диэлектрическая проницаемость

• 
  Слайд 9
  

  9 - поле, созданное двумя бесконечными заряженными плоскостями. Определим поверхностную плотность связанных зарядов '. Полный дипольный момент пластинки диэлектрика: - поверхностная плотность связанных зарядов ' равна поляризованности Р. С другой стороны: Приравняем и получим:

• 
  Слайд 10
  

  10 откуда напряженность результирующего поля внутри диэлектрика равна: Безразмерная величина называется диэлектрической проницаемостью среды. показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком, и характеризует количественно свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.

• 
  Слайд 11
  

  11 10.9. Электрическое смещение. Теореме Гаусса для электростатического поля в диэлектрике Вектор напряженности Е, переходя через границу диэлектриков, претерпевает скачкообразное изменение. Поэтому необходимо характеризовать поле еще вектором электрического смещения: Вектор электрического смещения можно записать еще как: Единица электрического смещения — кулон на метр в квадрате (Кл/м2).

• 
  Слайд 12
  

  12 Для произвольной замкнутой поверхности S поток вектора D сквозь эту поверх­ность определяется выражением: Dn — проекция вектора D на нормаль n к площадке dS. Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике: - «потоквектора смещения электростатического поля в диэлектрике сквозь произ­вольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности свободных электрических зарядов». Вектором D описывается электростатическое поле, создаваемое свободными зарядами.

• 
  Слайд 13
  

  13 тогда поток вектора напряженности Е сквозь произ­вольную замкнутую поверхность равен: Для вакуума: - теорема Гаусса для вакуума.

• 
  Слайд 14
  

  14 10.10. Сегнетоэлектрики и пьезоэлектрики Сегнетоэлектрики — диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью. При отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрик представляет собой совокупность доменов — областей с различными направлениями поляризованности. Суммарный дипольный момент диэлектрика равен нулю. При внесении сегнетоэлектрика во внешнее поле происходит переориентация дипольных моментов доменов по полю

• 
  Слайд 15
  

  1. Смещение доменных границ под действием даже небольшого электрического поля определяет высокие значения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков Диэлектрическая проницаемость зависит от температуры и напряженности электрического поля. Особенности сегнетоэлектриков

• 
  Слайд 16
  

  16 2. При доменной поляризации наблюдается явление гистерезиса. Это явление определяет большие потери энергии. Явление диэлектрического гистерезиса: Р0 -остаточная поляризованность. EC- коэрцитивная сила.

• 
  Слайд 17
  

  17 3. Сегнетоэлектрические свойства сильно зависят от температуры. Для каждого сег­нетоэлектрика имеется определенная температура, выше которой его необычные свой­ства исчезают и он становится обычным диэлектриком. Эта температура называется точкой Кюри. Потери на гистерезис, как и доменная поляризация, существуют лишь до точки Кюри. При нагревании выше этой температуры доменная структура исчезает и наблюдается резкое снижение tgd.

• 
  Слайд 18
  

  Пьезоэлектрики К пьезоэлектрическим материалам относятся кристаллические и поликристаллические вещества с ярко выраженным пьезоэффектом. Пьезоэффект заключается в появлении электрических зарядов разного знака на противоположных гранях кристаллов при их механической деформации (сжатии, растяжении, изгибе, кручении) вследствие поляризации. Обратный пьезоэффект состоит в том, что приложение к пластине постоянного напряжения вызывает в ней деформацию. Пьезоэлектрики называют активными диэлектриками и применяют в датчиках давления и смещения. 18

• 
  Слайд 19
  

  Гексагональная элементарная ячейка содержит чередующиеся положительные и отрицательные ионы. При отсутствии внешних механических напряжений дипольный момент ячейки равен нулю. Если под действием таких напряжений ячейка растянется или сожмется, то возникает дипольный момент: Растяжение или сжатие приводит к тому, что на двух противоположных гранях кристалла возникают электрические заряды. 19 Принцип действия

• 
  Слайд 20
  

  20 10.11. Электрическая емкость уединенного проводника. Конденсаторы. Рассмотрим уединенный проводник, т. е. проводник, который удален от других провод­ников, тел и зарядов. Его потенциал прямо пропорционален заряду проводника. Из опыта следует, что разные проводники, будучи одинаково заряжен­ными, имеют различные потенциалы. Поэтому для уединенного проводника можно записать: Величина Емкость уединенного проводника определяется зарядом, сообщение которого проводнику изме­няет его потенциал на единицу. называется электроемкостью уединенного проводника.

• 
  Слайд 21
  

  21 Единица электроемкости — фарад (Ф): 1 Ф — емкость такого уединенного провод­ника, потенциал которого изменяется на 1 В при сообщении ему заряда 1 Кл. Потенциал уединенного шара радиуса R, находящегося в однород­ной среде с диэлектрической проницаемостью , равен: Eмкость шара: Отсюда следует, что емкостью 1 Ф обладал бы уединенный шар, находящийся в ваку­уме и имеющий радиус R=C/(40)9106км, что примерно в 1400 раз больше радиуса Земли.

• 
  Слайд 22
  

  22 Конденсаторы Конденсаторы – это устройства, об­ладающие способностью при малых размерах и небольших относительно окружающих тел потенциалах накапливать значительные по величине заряды. Конденсатор состоит из двух проводников, разделенных диэлектриком: Конденсаторы бывают: плоские - две плоские пластины; 2) цилиндрические - два коаксиальных цилиндра; 3) Сферические - две концентрические сферы.

• 
  Слайд 23
  

  23 Под емкостью конденсатора понимается физическая величина, равная отноше­нию заряда Q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов (1—2) между его обкладками: 1. Рассчитаем емкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью Sкаждая, расположенных на расстоянии d друг от друга и имеющих заряды +Q и –Q . Заменив Q=S,получим выражение для емкости плоского конденсатора:

• 
  Слайд 24
  

  24 2. Определим емкость цилиндрического конденсатора, состоящего из двух полых коаксиаль­ных цилиндров с радиусами r1 и r2 (r2 > r1), вставленных один в другой. Разность потенциалов между обкладками для поля равномерно заряженного бесконечного цилиндра с линейной плотностью =Q/l (l—длина об­кладок) : Емкость цилиндрического конденсатора:

• 
  Слайд 25
  

  25 3. Определим емкость сферического конденсатора, состоящего из двух концентрических обкладок, разделенных сферическим слоем диэлектрика. Разность потенциалов между двумя точками, лежащими на расстояниях r1 и r2 (r2 > r1) от центра заряженной сферической поверхности: Емкость конденсатора любой формы прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости диэлектрика, заполняющего пространство между обкладками. Емкость сферического конденсатора:

• 
  Слайд 26
  

  26 Соединения конденсаторов Параллельное соединение конденсаторов У параллельно соединенных конденсаторов разность потенциалов на обкладках конденсаторов одинакова и равна A – B. Если емкости отдельных конденсаторов С1, С2, ..., Сn, то их заряды равны: а заряд батареи конденсаторов: Полная емкость батареи:

• 
  Слайд 27
  

  27 Последовательное соединение конденсаторов. У последовательно соеди­ненных конденсаторов заряды всех обкладок равны по модулю, а разность потенци­алов на зажимах батареи: Для любого из рассматриваемых конденсаторов i = Q/Сi. т. е. при последовательном соединении конденсаторов суммируются величины, об­ратные емкостям.

• 
  Слайд 28
  

  28 10.12. Условия на границе раздела двух диэлектрических сред Рассмотрим связь между векторами Е и D на границе раздела двух однородных изотропных диэлектриков. Диэлектрические проницаемости сред 1и 2 . Построим вблизи границы раздела диэлектриков 1 и 2 небольшой замкнутый прямоугольный контур ABCDA длины l . Циркуляция вектора Е:

• 
  Слайд 29
  

  29 Значит: Заменив, согласно проекции вектора Е проекциями вектора D, деленными на 0, получим: Тогда:

• 
  Слайд 30
  

  30 На границе раздела двух диэлектриков построим прямой цилиндр ничтожно малой высоты, одно основание которого находится в первом диэлектрике, другое — во втором. Основания S настолько малы, что в пределах каждого из них вектор D одинаков. Согласно теореме Гаусса: Значит:

• 
  Слайд 31
  

  31 Заменив проекции вектора D проекциями вектора Е, умноженными на 0, получим: Выводы: При переходе через границу раздела двух диэлектрических сред тангенциальная составляющая вектора Е (Е) и нормальная составляющая вектора D (Dn) изменяются непрерывно. При переходе через границу нормальная составляющая вектора Е(En) и тангенциальная составляющая вектора D (D) претерпевают скачок. При переходе через границу вектора Е и D преломляются.

• 
  Слайд 32
  

  32 Закон преломления линий напряжен­ности Е и линий смещения D: Эта формула показывает, что, входя в диэлектрик с большей диэлектрической проница­емостью, линии Е и D удаляются от нормали. Найдем связь между углами 1и 2. Разложим векторы E1 и E2у границы раздела на тангенциальные и нормальные составляющие.

• 
  Слайд 33
  

  33 10.13. Проводники в электростатическом поле Если проводник поместить в электростатическое поле, то это поле будет действовать на заряды проводника, в результате чего они начнут перемещаться. Заряды будут перемещаться до тех пор, пока не установится равновесное распределение зарядов, при котором электростатическое поле внутри проводника обращается в нуль. Тогда напряженность поля во всех точках внутри проводника будет равна нулю: Отсутствие поля внутри проводника означает, что потенциал во всех точках внутри проводника постоянен ( = const), т. е. поверхность проводника в электростатическом поле является эквипотенциальной.

• 
  Слайд 34
  

  34 Заряд Q, находящийся внутри проводника в некотором объеме, ограниченном произвольной замкнутой поверхностью, равен: так как во всех точках внутри поверхности D=0. Со­гласно теореме Гаусса, этот поток (DS) равен сумме зарядов (Q=S),охваты­ваемых поверхностью: DS=S т.е. — диэлектрическая проницаемость среды, окружающей проводник.

• 
  Слайд 35
  

  35 Если во внешнее электростатическое поле внести нейтральный проводник, то свободные заряды будут перемещаться: положительные — по полю, отрицательные — против поля. На одном конце проводника будет скап­ливаться избыток положительного заряда, на другом — избыток отрицательного. Эти заряды называются индуцированными. Процесс будет происходить до тех пор, пока напряженность поля внутри проводника не станет равной нулю, а линии напряжен­ности вне проводника — перпендикулярными его поверхности.

• 
  Слайд 36
  

  36 Индуцированные заряды распределяются на внешней поверхности проводника. Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике во внешнем электростатическом поле называется электростати­ческой индукцией. Индуцированные заряды появляются на проводнике вследствие смещения их под действием поля, т. е.  является поверхностной плот­ностью смещенных зарядов. Электрическое смещение Dвблизи проводника численно равно поверхностной плотности смещенных зарядов. Поэтому вектор D по­лучил название вектора электрического смещения.