Основные понятия и свойства диэлектриков
Диэлектрики — это материалы, не проводящие электрический ток в обычных условиях.
Диэлектрики способны накапливать электрический заряд. В зависимости от материала знак заряда изменяется.
Существует два типа зарядов:
Свободные заряды — это заряженные частицы одного знака, способные перемещаться под действием внешнего электрического поля. Примерами свободных зарядов являются электроны в металле и ионы в газах.
Связанные заряды — разноимённые заряды, которые входят в состав атомов и не могут перемещаться независимо друг от друга. Примером связанных зарядов являются электроны в атоме диэлектрика.
Электрическое поле и поляризация
Электростатическая индукция — явление перераспределения электрических зарядов в проводниках и диэлектриках под действием внешнего электрического поля.
Рассмотрим проводник, находящийся во внешнем электрическом поле. В результате воздействия поля, заряды внутри проводника перераспределяются как показано на рисунке и внутри проводника создаётся собственная напряжённость, направленная в противоположную сторону:
Перетекание зарядов будет происходить до тех пор, пока внешняя и внутренняя напряжённость не уравновесят друг друга, то есть пока результирующая напряжённость не станет равна 0.
Рассмотрим диэлектрик, помещённый во внешнее электрическое поле. Под действием поля положительно заряженное ядро и отрицательно заряженная оболочка стремятся двигаться в противоположные стороны, в результате чего атом растягивается и превращается в диполь.
Диполь — это система, состоящая из двух разноимённых, равных по модулю точечных зарядов.
Под действием внешнего электрического поля изначально хаотично расположенные диполи приобретают чёткую структуру.
Поляризация диэлектрика — это процесс смещения связанных зарядов или ориентации диполей под действием внешнего электрического поля.
В результате поляризации диполи выстраиваются таким образом, что поверхности диэлектрика приобретают заряд, создавая внутри него собственное электрическое поле:
Так как внутреннее электрическое поле направлено против внешнего, то результирующая напряжённость внутри диэлектрика будет меньше внешнего напряжённости $\text{Е}_{\text{рез}} = \text{Е}_{\text{внеш}} − \text{Е}_{\text{внутр}}$. То есть диэлектрик ослабляет внешнее электрическое поле.
Диэлектрическая проницаемость (ε) — это коэффициент, характеризующий поляризацию диэлектрика, показывает во сколько раз диэлектрик уменьшает напряжённость внешнего электрического поля.
$\varepsilon = \frac{E_{\text{внеш}}}{E_{\text{рез}}}$
Это безразмерная величина, значение которой всегда больше либо равно 1.
Под действием внешних факторов (температура, излучение) в диэлектрике может наблюдаться явление ионизации.
Ионизация — это распад атома на положительно заряженный ион и отрицательный электрон.
В результате ионизации диэлектрик может стать проводником. Например, в нормальных условиях воздух является диэлектриком, но если его нагреть зажигалкой, то он проводит электричество.
Практическое применение: разбор задачи
Задание 1
В однородное электрическое поле, напряжённость которого направлена горизонтально влево, поместили два незаряженных стеклянных кубика, сближенных вплотную, как показано в верхней части рисунка. Далее кубики раздвинули в разные стороны, а электрическое поле отключили, как показано в нижней части рисунка. Выберите из предложенного перечня все правильные утверждения, которые будут соответствовать результатам проведённых экспериментальных исследований, и укажите их номера.
До разделения кубиков в электрическом поле правая поверхность второго кубика была заряжена положительно.
До разделения кубиков в электрическом поле левая поверхность первого кубика была заряжена положительно.
Когда кубики раздвинули, заряд первого из них оказался отрицательным, а второго — положительным.
Переход электронов из одного кубика в другой после помещения кубиков в электрическое поле не происходит.
Когда кубики раздвинули, суммарные заряды обоих кубиков остались равны нулю.
При помещении стеклянных кубиков в электрическое поле наблюдается явление поляризации, поскольку стекло является диэлектриком. В кубиках происходит переориентация диполей в пространстве, в результате которой крайние поверхности кубиков приобретают заряды, как показано на рисунке.
- До разделения кубиков в электрическом поле правая поверхность второго кубика была заряжена отрицательно — неверно.
- Это действительно так — верно.
- Когда кубики раздвинули, их суммарный заряд остался равен нулю — неверно.
- В кубиках происходит лишь переориентация диполей в пространстве, при этом электроны из одного кубика в другой не переходят — верно.
- Ранее сказали об этом — верно.
Ответ: 245.
Авторы:
Саня Эбонит, преподаватель «100балльного репетитора» по физике ЕГЭ;
Кир Синюткин, методист «100балльного репетитора» по физике ЕГЭ
