Өткізгіштер мен диэлектриктер

Біз көрген алдыңғы тәжірибелерде, прикасаясь заряженным дене — незаряженным пәндер, біз себептен оларға электр заряды. Біз пайдаланды, осы кезде заряжали электроскоп. Осылайша, электрлік зарядтар көше алады бір дененің басқа.

Электрлік зарядтар, сондай-ақ мүмкін және жылжуға телу. Мысалы, біз заряжали электроскоп, біз негізінен шыны таяқшамен жоғарғы ұшына металл өзек. Дегенмен, мен төменгі ұшы өзектің және парақтар, қоса осы соңында көрсетілген заряженными; бұл зарядтар перемещались бойына ұласады.

Алайда, ауыстыру зарядтарының әр түрлі телам жүреді әр түрлі. Қарастырайық келесі тәжірибесі: расположим біршама қашықтықта бір-бірінен екі электроскопа, зарядим бірі-мен қосамыз өзектер электроскопов кесек мыс сымнан ұстап соңғы екі жібек жіптер (сур. 4, а). Ауытқу парақтарын зарядталған электроскопа тез арада азаяды, және, сонымен бір мезгілде парақтар екінші электроскопа отклонятся, обнаруживая зарядтың пайда болуы. Электрлік зарядтар оңай жылжиды бойымен мыс сым.

11.jpg

Сур. 4. Ауыстыру зарядтарының әр түрлі телам: а) электрлік зарядтар оңай жылжиды металл сымға; қосылған кезде электроскопов сыммен заряды сол электроскопа азаяды, ал оң жақ артады; б) электрлік зарядтар арқылы өтетін жібек жіптер; қосылған кезде электроскопов жібек жіппен сол электроскоп сақтайды заряд, ал оң жақ қалады незаряженным

Қайталамақ емеспіз енді бұл тәжірибені пайдаланамыз, бірақ оның орнына мыс сым жібек жіп (сур. 4, б). Бұл ретте, жіптің ұштарын сақтауға болады тікелей қолында. Біз көреміз, бұл жағдайда заряженный электроскоп болады ұзақ уақыт сақтап, өзгеріссіз өз заряд, ал екінші электроскоп қалады әлі незаряженным. Электрлік зарядтар бойынша тасымалдана алады жібек жіптер. Өткізе отырып, сол тәжірибесі жайлы дәріс оқыды (ақ қағаз) жіппен, біз алдын-аралық нәтиже: заряд көшетін болады бір электроскопа басқа, бірақ өте баяу).

Заттар, олар бойынша электрлік зарядтар оңай жылжиды, біз деп атаймыз жолсеріктері. Заттар, ие емес осы қасиеті деп аталады диэлектриками (немесе изоляторлары).

Жақсы жолсеріктері болып табылады барлық металдар, сулы ерітінділері, тұздар және қышқылдар және басқа да көптеген заттар. Жақсы өткізгішті ие, сондай-ақ қыздырылған газдар: егер жақындатуға заряженному электроскопу пламя свечи, онда ауа айналасында электроскопа жасалады жүргізетін, заряд с электроскопа ауысады айналадағы дене және парақтар тез спадают (сур. 5).

13.jpg

Сур. 5. Парақтар электроскопа тез спадают кезінде поднесении оның стержню жалын

Жолсерік, бірақ өте жақсы болып табылады сондай-ақ, адам денесі. Егер жанасу заряженному электроскопу, ол таусылған және оның парақтары түседі. Біз бұл заряд электроскопа арқылы біздің денеміз, едені және қабырғалары бөлме «уходит в землю». § 27 біз ашып көрсетеміз толығырақ, бұл ретте жүреді.

Мысалдармен жақсы диэлектриктер болып табылады янтарь, фарфор, шыны, эбонит, резеңке, жібек және газдар кезде бөлме температура. Айта кету керек, көптеген қатты диэлектриктер, мысалы шыны, жақсы оқшаулайды тек құрғақ ауада және жасалады жаман диэлектриками, егер ылғалдылығы жоғары. Бұл дымқыл ауада бетінде диэлектриктердің пайда болуы мүмкін өткізетін пленка су. Сақ нагреванием осы қабықты алып тастауға болады, одан кейін оқшаулағыш қабілеті қайтадан қалпына келтіріледі.

Қашан қандай да бір теле орын ауыстыру зарядтарды айтамыз, бұл теле болса, электр тогы. Мысалы, қосылған кезде электроскопов мыс сымға (сур. 4, а) туындайды өткінші электр тогы, ол принципті түрде ешқандай айырмашылығы жоқ ток жарықтандыру желілері немесе трамвай проводе.

Қазіргі заманғы пайдалануға алынады электр өткізгіштер және диэлектриктер үлкен рөл атқарады. Металл сым-өткізгіштер электр беру желісін білдіреді ғана арналар, біз мәжбүрлемейміз жылжыту зарядтар. Бұл ретте маңызды орындарда бекіту сымдар зарядтар кетіп сымдар да айналадағы заттар. Сондықтан сымдар әрқашан орналасады, арнайы оқшаулағыш креплениях — «изоляторларында», онсыз қазіргі заманғы желілері мен электр жеткізу мүмкін болмас еді.

Жолсеріктері деп аталады заттар, олар бойынша еркін жүріп-тұруға электрлік зарядтар.
Термині «проводник» болып табылады аудармасымен ағылшын сөздер сonductor, ол енгізді Ж. Т. Дезагюлье 1739 ж. белгілеу үшін «тел жұмыс істейтін арналар үшін көлік электр күшінің».
Жолсеріктері болып табылады металдар, электролиттер (ерітінділер, өткізгіш ток) плазма. Металдардағы көздермен зарядтар болып табылады еркін электрондар, электролитах – оң және теріс иондар, плазмада – еркін электрондар мен иондар.

Көптеген металдар іс жүзінде әрбір атом электрон жоғалтады айналады оң ионом. Мысалы, мыстың 1 м3 еркін электрондар 1029. Еркін электрондар металдардағы орналасқан үздіксіз беспорядочном қозғалысы. Жылдамдығы осындай қозғалысы шамамен тең 105 м/с (100 км/с).

Қарамастан болуы денесінің ішіндегі зарядтардың (еркін электрондар мен иондар), электр өрісінің ішіндегі өткізгіштің жоқ. Жекелеген зарядталған бөлшектер тудырады микроскопиялық өрістер. Бірақ бұл өріс ішіндегі өткізгіштің орташа бойнша бір-біріне (сур. 1).

Егер бұл шарт емес орындады, онда еркін зарядтар, әсерінен кулоновских күштері, келіп еді қозғалыс. Олар двигались еді болғанша әрекет ететін оның күші жасамаған еді нөл.

Сур. 1
Оларды сізге кез келген незаряженный өткізгіш, мысалы, металл, біртекті электр өрісінде кернеулігі E⃗ 0. Бос электрондар бастайды электрлік күштер F⃗ , әсерінен онда электрондар келіп қозғалысы (сур. 2). Жалғастыра отырып, ретсіз қозғалысы, электрондар бастайды смещаться жағына күш әрекетінің (ығысу жылдамдығы шамамен 0,1 мм/с).

Сур. 2
Бір өткізгіш бетіне құрылады облысы кемшілігі электрондардың, қарама-қарсы – мол электрондар. Бұл әкеледі пайда болуына тағы бір электр өріс кернеулігі E⃗ np (сур. 3).

Сур. 3
Жалпы кернеулігі E⃗ электр тең болады

E⃗ =E⃗ 0+E⃗ np,E=E0−Enp.
Электр күш F, қолданыстағы бос электрондар с зарядпен q:

F=q⋅E.
Қарай ығысу электрондар, заряд, беті ұлғаяды. Бұл ұлғаюына әкеледі шиеленіс Enp және азайту жалпы шиеленісті E (E=E0−Enp). Және нүктесінде кернеулігі Enp айналады тең шиеленіс сыртқы өріс E0, т. е. Enp=E0, және жалпы өріс кернеулігі ішіндегі өткізгіштің нөлге тең болады.

Электр күші F осы сәтте, сондай-ақ нөлге тең болады, электрондар келмегенде смещаться, бірақ ретсіз қозғалысы тоқтатылмайды. Жер бетінде өткізгіштің қалады электрлік зарядтар.

Құбылыс туындаған электр зарядтарының өткізгіш бетіне әсерінен электр өрісі деп аталады электростатикалық индукциясы, ал пайда болған зарядтар – индуцированными.

Үлесі электрондардың тап болған бетінің өте аз. Мысалы, егер мыс пластинкада қалыңдығы 1 см. приложить кернеу 1000 В болса, онда бұл үлесі 10-10 % барлық еркін электрондар.
Қандай тәсілмен болмасын зарядталған өткізгіш, оның ішіндегі өріс жоқ. Бұл пайдалануға мүмкіндік береді жерге тұйықталған қуыс өткізгіштер-бабына, тұтас немесе торлы қабырғалары үшін электростатикалық қорғау сыртқы электростатикалық өріс. Мысалы, қорғау үшін әскери қоймаларды, қызметшілер жарылғыш заттарды сақтауға арналған, найзағайдың оларды қоршап жерге тұйықталған сымды желі.

Алғаш рет құбылыс электростатикалық қорғау табылған. М. Фарадеем 1836 жылы. Ол қызықты тәжірибе. Үлкен ағаш тор болды оклеена жұқа парақтары қалайы, шыңдары жер және қатты заряжена. Клеткадағы болды өзі Фарадей өте сезімтал электроскопом. Қарамастан, жақындаған кезде торда тел, америка құрама жермен, проскакивали ұшқын, жасушаның ішіндегі электр өрісі жоқ обнаруживалось.
Диэлектриктер электростатикалық өрісте
Диэлектриктер (изоляторлар) — бұл заттар, іс жүзінде жоқ еркін зарядтарды тасушылар.
«Термині диэлектрик» гректің dia — арқылы, арқылы және ағылшын сөздер electric — электр. Бұл термин енгізді. М. Фарадей 1838 ж. белгілеу үшін заттар, енеді электр өрісі.
Бөлігі арасындағы шекараны жолсеріктері және диэлектриками жоқ, өйткені барлық заттар белгілі бір дәрежеде қабілетті жүргізуге, электрлік тоқ. Бірақ егер заттағы еркін зарядтардың 1015-1020 есе аз металдар, онда мұндай жағдайларда, әлсіз өткізгішті заттар болады елемеуге саналсын тамаша диэлектрик.

Дерлік барлық зарядталған бөлшектер диэлектрик ішіндегі бір-бірімен және қозғала алады көлемі бойынша дененің. Олар тек аздап смещаться қатысты өз тең салмақты ережелерін.

Диэлектриками болып табылады барлық неионизированные газдар, көптеген таза сұйықтықтар (тазартылған су, май, бензиндер) және қатты дене (пластмасса, шыны, керамика, кристалдар тұз, құрғақ ағаш).

Алайда, полярлық және полярлық емес диэлектриктер.

Неполярный диэлектрик
Қарастырайық схемасы қарапайым атом – сутегі атомы (сур. 4).

Сур. 4
Оң заряд атомның, оның заряды ядро, шоғырланған орталықта атом физикасы. Ядросының айналасында қозғалады электрон жылдамдығы шамамен 106 м/с және 10-9 с үлгереді жасауға миллион айналымдар. Сондықтан орбитаға электрона ретінде қарастыруға болады электрондық бұлт, расположенное қатысты симметриялы ядро. Демек, тіпті өте аз уақыт ішінде орталық бөлу теріс зарядтың тура ортасына атом, т. е. сәйкес келеді оң заряженным өзегі.

Диэлектриктер тұратын атомдар мен молекулалардың, олардың орталықтары бөлу оң және теріс зарядтардың тұс деп аталады неполярными.
Осындай заттардың мысалдары болып табылады одноатомные асыл (инертті) газдар; газдар қоспасынан симметриялы двухатомных молекулалардың (оттегі, сутегі, азот); әр түрлі органикалық сұйықтықтар (майлар, бензиндер); кейбір қатты дене (пластмасса).

Оларды сізге кез келген осындай диэлектрик біртекті электр өрісінде кернеулігі E⃗ 0 .

«Теріс және оң зарядталған бөлшектер бастайды бағытталған күштер қарама-қарсы (сур. 5).

Сур. 5
Нәтижесінде молекуласы созылады және жүреді шамалы ығысуы орталықтарының оң және теріс зарядтар. Жүйесі түзіледі, екі нүктелік зарядтың q тең модуль бойынша және қарама-қарсы таңба бойынша орналасқан біршама қашықтықта l бір-біріне (сур. 6). Осындай бейтарап тұтас жүйесін зарядтар деп атайды электр диполем. Электрлік диполь жасайды электр өрісі кернеулігі Еді, ол қарсы бағытталған шиеленіс сыртқы өріс Е0.

Сур. 6
«Диэлектрике, тұратын көптеген осындай диполей, кернеулігі Еді, жалпы кернеулігі Е азайып шиеленістің сыртқы өріс Е0 (сур. 7).

Сур. 7
Салдарынан ығысу зарядтар бір бетінде диэлектриктен пайда болады, көбінесе теріс зарядтар диполей, ал екіншісі – оң (сур. 8). Ішіндегі кез келген диэлектрик көлемінің жиынтық электр заряды молекулалардың, бұл көлемі нөлге тең.

Сур. 8
Зарядтар, құралатын бетінде диэлектрик орналастырылған адамды электр өрісі деп аталады байланысты.
Ығысуы байланысты оң және теріс зарядтарды диэлектрик қарама-қарсы әсерімен ұсынылған сыртқы электростатикалық өріс деп атайды поляризацией.
Поляризация диэлектрик нәтижесінде жүреді ығысуы электрондық қабықшалар деп аталады, электрондық поляризацией.
Электрондық полярлану жүреді атомах кез келген диэлектрик орналастырылған адамды электр өрісі.

Полярлық диэлектрик
Көптеген диэлектриктер (H2O, H2S, NO2) құрылды келген молекулалардың, олардың әрқайсысы болып табылады электр диполем болмаған жағдайда сыртқы электр өрісі. Мұндай молекулалар мен құрылған олар диэлектриктер болып аталады полярными.

Мысалы, молекуласы ас тұзының NaCl. Кезінде білім молекулалар жалғыз валентті электрон натрий захватывается хлормен. Екеуі де бейтарап атомы айналады жүйесін екі иондар зарядтармен қарама-қарсы белгілері. Орталығы оң заряд молекулалар тиесілі ион натрий (Na), ал теріс – ион хлор (Cl) (сур. 9).

Сур. 9
Болмаған жағдайда сыртқы өріс молекулалық диполи-жылулық қозғалысының бей берекет орналасқан, сондықтан олардың жиынтық дипольды сәті нөлге тең.

Оларды сізге кез келген полярлық диэлектрик біртекті электр өрісінде кернеулігі E⃗ 0 . Тарапынан осы өріс диполь болады екі күш бірдей модуль бойынша және қарама-қарсы бағыты бойынша. Бұл күштер жасайды айналу моменті, құштар бұру диполь, сондықтан оның осі бағытталған желісі бойынша шиеленіс өріс (сур. 10). Алайда, бұл кедергі жылулық қозғалыс. Нәтижесінде молекуласы бұрылады тек жарым-жартылай (сур. 11).

Сур. 10

Сур. 11
Бұрылу электр диполей пайда болуына әкеледі тағы бір электр өріс кернеулігі Еді, ол қарсы бағытталған шиеленіс сыртқы өріс Е0. Мұндай диэлектрике жалпы кернеулігі Е азайып шиеленістің сыртқы өріс Е0.

Салдарынан бұрылу молекулалардың бір бетінде диэлектриктен пайда болады, көбінесе теріс зарядтар диполей, ал екіншісі – оң (суретті қараңыз). 11). Мұндай зарядтар деп аталады байланысты.

Диэлектрик ішіндегі теріс және оң зарядтар диполей бойнша бір-біріне және орташа электр заряды диэлектриктен нөлге тең.

Мұндай механизм поляризация деп аталады ориентационным.
Толық бағдарлауға диполей (жай-күйі қанығу) ғана қол жеткізуге болады күшті өрістерде температурада, жақын абсолютному нөлге тең.
Үшін қанықтыру кезінде бөлме температура қажет өрісінің кернеулігі 1010 – 1012 В/м, Бірақ жиі, тіпті, айтарлықтай аз напряженностях туындайды сынамамен диэлектрик.
Біз полярлық диэлектриктердің қатар, бағдарлау поляризацией байқалады және электронды поляризация. Алайда, әсері бағдарлау диполей бірнеше ретті әсер асып зарядтардың ығысу, сондықтан соңғы жиі ережелерін елемейді.

Диэлектрическая өтімділік