Материал: fizika_1

31. Диэлектрики. Полярные и неполярные диэлектрики. Диэлектрические

восприимчивость и проницаемость

Диэлектрики (изоляторы) – вещества, которые плохо проводят или совсем не проводят электрический ток. К диэлектрикам относят воздух, некоторые газы, стекло, пластмассы, различные смолы, многие виды резины.

В таких телах нет свободных электрически заряженных частиц, способных перемещаться в теле под действием внешнего электрического поля.

Различают два основных типа диэлектриков: полярный и неполярный.

Диэлектрик называют неполярным, если в его молекулах в отсутствие внешнего электрического поля центры тяжести отрицательных и положительных зарядов

совпадают, например,

Для них диполный момент , т. к. . И, следовательно, суммарный дипольный момент неполярного диэлектрика .

В молекулах полярных диэлектриков ( , спирты, НС1...) центры тяжести зарядов разных знаков сдвинуты друг относительно друга. В этом случае молекулы обладают

собственным дипольным моментом . Но эти дипольные моменты в отсутствие внешнего электрического поля из-за теплового движения молекул ориентированы хаотически и суммарный дипольный момент такого диэлектрика равен нулю, т. е.

.

Полярные диэлектрики (дипольные) - состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

К полярным диэлектрикам относятся фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы, кремний, органические соединения, хлорированные углеводороды и др.

Величина, показывающая во сколько раз ослабляется поле в диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью среды и обозначается буквой Е(с завитушкой):

.

Диэлектрическая восприимчивость (поляризуемость ) вещества — физическая величина, мера способности вещества поляризоваться под действием электрического поля.

Диэлектрическая восприимчивость — коэффициент линейной связи между поляризацией диэлектрика P и внешним электрическим полем E в достаточно малых полях:

В системе СИ:

где — электрическая постоянная; произведение называется в системе СИ

абсолютной диэлектрической восприимчивостью.

В случае вакуума

У диэлектриков, как правило, диэлектрическая восприимчивость положительна. Диэлектрическая восприимчивость является безразмерной величиной.

32. Сила тока, плотность тока, механизм проводимости металлов.

Электрический ток — направленное движение электрически заряженных частиц под воздействием электрического поля.

Сила тока (I) — скалярная величина, равная отношению заряда (q), прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени (t), в течение которого шёл ток.

I=q/t, где I— сила тока, q — заряд, t — время.

Единица измерения силы тока в системе СИ: [I]=1A (ампер).

Плотность тока j — это векторная физическая величина, модуль которой определяется отношением силы тока I в проводнике к площади S поперечного сечения проводника, т.е.

В СИ единицей плотности тока является ампер на квадратный метр (А/м2).

Направление вектора плотности тока совпадает с направлением вектора скорости

упорядоченного движения положительно заряженных частиц. Плотность постоянного тока постоянна по всему поперечному сечению проводника.

Элементарные метал­лы являются проводниками электричества первого рода. Способ­ность металлов проводить электричество - их электрическая проводимость обусловлена наличием в них кристаллических решет­ках электронов, находящихся в состоянии проводимости.

В кристаллической решетке металлов имеются так называемые "свободные" электроны. Это те электроны, которые находятся на высоких орбитах (высоких энергетических уровнях) и слабо связаны кулоновскими силами с ядром. Атомы металла в решетке обмениваются этими электронами, они свободно покидают один и примыкают к другому, тем не менее они не могут покинуть весь кристалл, т. к. это

приведет к увеличению кулоновского притяжения во много раз. таким образом электроны образуют так называемый "электронный газ" совокупность элементарных частиц, равномерно распределенных по всему кристаллу металла. Если к этому газу приложить даже очень слабую разность потенциалов, она повлечет за собой движение всех свободных электронов от отрицательного заряда к положительному. Это и есть электрический ток.

33. Закон Ома для однородного участка цепи, сопротивление, зависимость

сопротивления металлов от температуры, закон Джоуля-Ленца.

закон Ома для однородного участка цепи:

Ток, текущий по однородному металлическому проводнику, пропорционален падению напряжения на проводнике.

I=()

Электри́ческое сопротивле́ние — физическая величина, характеризующая свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему.

R= U/I

где

R — сопротивление, Ом;

U — разность электрических потенциалов (напряжение) на концах проводника, В;

I — сила тока, протекающего между концами проводника под действием разности потенциалов, А.

В разумных температурных пределах вокруг некоторой точки зависимость удельного сопротивления металлов от температуры описывается как:

ΔR = α*R*ΔT, где α - температурный коэффициент электрического сопротивления.

Температурный коэффициент сопротивления может быть как положительным, так и отрицательным. У всех металлов сопротивление увеличивается с увеличением температуры, а следовательно, для металлов α >0. У всех электролитов в отличии от металлов сопротивление при нагревании всегда уменьшается. Сопротивление графита с повышением температуры также уменьшается. Для таких веществ α <0.

Согласно закону Джоуля-Ленца, электрический ток, проходящий по проводнику, сопровождается количеством теплоты, прямо пропорциональным квадрату тока и сопротивлению, а также времени течения этого тока по проводнику.

Q = I2Rt,

в которой Q отображает количество выделенной теплоты, I – силу тока, R – сопротивление проводника, t – период времени.

34. Сторонние силы, ЭДС, закон Ома для неоднородного участка цепи.

Сторонние силы, т. е. силы не электростатического происхождения. Они действуют лишь внутри источника тока. Разделяя заряды, эти силы создают разность потенциалов между концами остальной части цепи. В этой части движение зарядов обусловлено электрическим полем, возникающим в проводнике вследствие разности потенциалов между его концами.

Пример: химические процессы, диффузия носителей заряда, вихревые электрические поля.

Сторонние силы можно характеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по замкнутой цепи или ее участку зарядами.

Величина, равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда в цепи, называется электродвижущей силой (ЭДС), действующей в цепи:

.

Стороннюю силу, действующую на заряд, можно представить в виде:

– напряженность поля сторонних сил. Скалярная физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется

электродвижущей силой (ЭДС).

Закон Ома для неоднородного участка цепи имеет вид:

где R — общее сопротивление неоднородного участка.

ЭДС ε может быть как положительной, так и отрицательной. Это связано с полярностью включения ЭДС в участок: если направление, создаваемое источником тока, совпадает с направлением тока, проходящего в участке (направление тока на участке совпадает внутри источника с направлением от отрицательного полюса к положительному), т.е. ЭДС способствует движению положительных зарядов в данном направлении, то ε > 0, в противном случае, если ЭДС препятствует движению положительных зарядов в данном направлении, то ε < 0.

35. Магнитное поле, силовые линии магнитного поля.

Магнитное поле – особая форма материи, существующая вокруг движущихся электрических зарядов – токов.

Источниками магнитного поля являются постоянные магниты, проводники с током. Обнаружить магнитное поле можно по действию на магнитную стрелку, проводник с током и движущиеся заряженные частицы.

Свойства магнитного поля:

•магнитное поле материально;

•источник и индикатор поля – электрический ток;

•магнитное поле является вихревым – его силовые линии (линии магнитной индукции) замкнутые;

•величина поля убывает с расстоянием от источника поля.

Важно!

Магнитное поле не является потенциальным. Его работа на замкнутой траектории может быть не равна нулю.

Магнитным взаимодействием называют притяжение или отталкивание электрически нейтральных проводников при пропускании через них электрического тока.

Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов объясняется так: всякий движущийся электрический заряд создает в пространстве магнитное поле, которое действует на движущиеся заряженные частицы.

Силовая характеристика магнитного поля – вектор магнитной индукции B . Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током, к силе тока в проводнике I и его длине l :

Обозначение – B , единица измерения в СИ – тесла (Тл).

Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением от южного полюса к северному полюсу магнитной стрелки (направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки), свободно установившейся в магнитном поле.

Направление вектора магнитной индукции можно определить по правилу буравчика:

если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Силовые линии магнитного поля – это воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают по направлению с вектором магнитной индукции.

Свойства силовых линий магнитного поля: