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I conduttori sono sostanze in cui sono presenti molte particelle cariche libere. Ad esempio, nei metalli questi sono gli elettroni del guscio esterno, che sono collegati molto debolmente con i nuclei degli atomi e quindi appartengono effettivamente al conduttore metallico nel suo insieme. Questo è il cosiddetto gas di elettroni. È proprio a causa della presenza di particelle cariche che possono muoversi liberamente in tutto il volume di un metallo conduttore che all'interno dei metalli non esiste campo elettrico. Non c'è campo elettrico nemmeno negli altri conduttori. Consideriamo il campo elettrico all'interno di un conduttore metallico...

Diapositiva 2

Diapositiva 3

Perché E0 = E1, quindi E = E0-E1= 0 Non c'è campo elettrico all'interno del conduttore

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Quando le cariche sono in equilibrio non esiste campo elettrico all'interno del conduttore e le cariche si trovano sulla sua superficie.

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Dielettrici

Si tratta di sostanze che non hanno al loro interno particelle cariche libere. È necessario distinguere tra dielettrici polari, in cui il centro della carica positiva e negativa non coincide. Nei dielettrici non polari il centro delle cariche positive e negative coincide. In un campo elettrico qualsiasi dielettrico diventa polare.

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Dipolo

Questo è un sistema di due cariche opposte collegate, in cui il centro della carica positiva e negativa non coincide. Un dipolo posto in un campo elettrico è soggetto ad una coppia che lo fa orientare lungo il campo. M=F٠L, dove L è la distanza tra i centri delle cariche legate.

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Presentazione sul tema: Dielettrico

Diapositiva n.1

Descrizione diapositiva:

CAMPO ELETTROSTATICO NEI DIELETTRICI Tipi di dielettrici e loro polarizzazione I dielettrici sono sostanze in cui praticamente non esistono portatori di carica liberi. I dielettrici non conducono corrente elettrica in condizioni normali. Il termine "dielettrici" è stato introdotto da Faraday. In natura non esistono dielettrici ideali poiché tutte le sostanze conducono in una certa misura la corrente elettrica. I dielettrici conducono la corrente elettrica circa 15-20 ordini di grandezza peggio delle sostanze chiamate conduttori. Un dielettrico, come qualsiasi sostanza, è costituito da atomi e molecole. Le molecole dielettriche sono elettricamente neutre. La carica positiva di tutti i nuclei di una molecola è uguale alla carica totale degli elettroni. Una molecola può essere considerata come un dipolo elettrico con un momento elettrico, dove Q è la carica positiva totale dei nuclei atomici nella molecola, l è un vettore tracciato dal “centro di gravità” delle cariche negative degli elettroni nella molecola al "centro di gravità" delle cariche positive - nuclei atomici. 900igr.net

Diapositiva n.2

Descrizione diapositiva:

Un dielettrico è detto non polare (con un legame chimico covalente non polare tra gli atomi nelle molecole) se, in assenza di un campo elettrico esterno, i “centri di gravità” delle cariche positive e negative nelle molecole coincidono e, pertanto il momento elettrico p delle molecole di tali dielettrici è nullo (un esempio è: N2 , H2, O2, CO2, CH4). Sotto l'influenza di un campo elettrico esterno, le cariche delle molecole non polari vengono spostate in direzioni opposte (positiva - lungo il campo, negativa - contro il campo) e le molecole acquisiscono un momento dipolare.

Diapositiva n.3

Descrizione diapositiva:

Un dielettrico è detto polare (con un legame chimico polare covalente tra gli atomi nelle molecole) se, anche in assenza di un campo elettrico esterno, i “centri di gravità” delle cariche positive e negative non coincidono. Le molecole di tali dielettrici hanno sempre un momento dipolare. Esempi di tali molecole sono: H2O, NH3, SO2, CO. In assenza di un campo esterno, i momenti di dipolo delle molecole polari dovuti al movimento termico sono orientati in modo casuale nello spazio e il loro momento risultante è zero. Se un tale dielettrico viene posizionato in un campo esterno, le forze di questo campo tenderanno a ruotare i dipoli lungo il campo e si creerà un momento dipolare risultante diverso da zero.

Diapositiva n.4

Descrizione diapositiva:

Un dielettrico è detto ionico, le cui molecole hanno una struttura ionica (cristallina) (esempi: NaCl, KS1, KBr). I cristalli ionici sono reticoli spaziali con alternanza regolare di ioni di segno diverso. In questi cristalli è impossibile isolare le singole molecole, ed i cristalli possono essere considerati come un sistema di due sottoreticoli ionici spinti l'uno nell'altro. Quando un campo elettrico viene applicato a un cristallo ionico, si verifica una deformazione del reticolo cristallino o uno spostamento relativo dei sottoreticoli, che portano alla comparsa di momenti di dipolo.

Diapositiva n.5

Descrizione diapositiva:

Quando tutti e tre i gruppi di dielettrici vengono introdotti in un campo magnetico esterno, si verifica la polarizzazione del dielettrico: il processo di orientamento dei dipoli o la comparsa di dipoli orientati lungo il campo sotto l'influenza di un campo elettrico esterno. Di conseguenza, si verifica un momento dipolare totale diverso da zero delle molecole dielettriche.

Diapositiva n.6

Descrizione diapositiva:

In base ai tre gruppi di dielettrici si distinguono tre tipi di polarizzazione: elettronica, o di deformazione, polarizzazione del dielettrico con molecole non polari. che consiste nella comparsa di un momento dipolare indotto negli atomi a causa della deformazione delle orbite elettroniche; polarizzazione orientativa, o dipolare, di un dielettrico con molecole polari, che consiste nell'orientamento dei momenti di dipolo esistenti delle molecole lungo il campo. Il moto termico impedisce il completo orientamento delle molecole, ma come risultato dell'azione combinata di entrambi i fattori (campo elettrico e moto termico), si verifica un orientamento preferenziale dei momenti di dipolo delle molecole lungo il campo. Questo orientamento è tanto più forte quanto più elevata è l'intensità del campo elettrico e quanto più bassa è la temperatura; Polarizzazione ionica di dielettrici con reticoli cristallini ionici. consistente nello spostamento del sottoreticolo di ioni positivi lungo il campo e di quelli negativi contro il campo, portando alla comparsa di momenti di dipolo.

Diapositiva n.7

Descrizione diapositiva:

Polarizzazione. Intensità di campo in un dielettrico La polarizzazione di un dielettrico è caratterizzata da una quantità vettoriale - polarizzazione, determinata dal momento di dipolo di un'unità di volume del dielettrico: dove è il momento di dipolo del dielettrico Nel caso di dielettrici isotropi e campi deboli, la polarizzazione P dipende linearmente dall'intensità del campo E. æ è la suscettibilità dielettrica della sostanza, che caratterizza le proprietà del dielettrico; æ è una quantità adimensionale e æ è sempre > 0 e per la maggior parte dei dielettrici (solidi e liquidi) è pari a diverse unità. - momento dipolare della i-esima molecola. Se il dielettrico è isotropo ed E non è troppo grande, allora

Diapositiva n.8

Descrizione diapositiva:

Una piastra di dielettrico omogeneo che riempie lo spazio tra due infiniti piani paralleli di carica opposta e si trova quindi in un campo elettrico esterno uniforme E0. Sotto l'influenza del campo, il dielettrico è polarizzato, cioè si verifica uno spostamento delle cariche. Quelli positivi si muovono a destra lungo il campo, mentre quelli negativi si muovono a sinistra contro il campo. Sul lato destro del dielettrico, rivolto verso il piano negativo, ci sarà un eccesso di carica positiva con densità superficiale +σ, sul lato sinistro, lato della piastra positiva, ci sarà un eccesso di carica negativa con una densità superficiale di –σ. Queste cariche non compensate, risultanti dalla polarizzazione del dielettrico, sono dette legate.

Diapositiva n.9

Descrizione diapositiva:

A causa della comparsa di cariche legate sul dielettrico, alcune linee di tensione non passano attraverso il dielettrico. Termineranno (o inizieranno) con addebiti connessi. Di conseguenza, l'intensità del campo elettrico all'interno del dielettrico sarà inferiore a E0. La comparsa di cariche legate porta alla comparsa di un campo elettrico aggiuntivo E" (il campo creato dalle cariche legate). Questo campo è diretto contro il campo esterno E0 (il campo creato dalle cariche libere) e lo indebolisce. Il campo risultante all'interno il dielettrico Il campo creato da due infiniti piani carichi; quindi E=E0 – E"

Diapositiva n.10

Descrizione diapositiva:

Determiniamo la densità superficiale delle cariche legate σ’. momento dipolare totale della piastra dielettrica pV = PV = PSd, dove S è l'area della faccia della piastra, d è il suo spessore. Così. pV = PSd= σ"Sd e quindi σ"= P, cioè la densità superficiale σ" delle cariche legate è uguale alla polarizzazione P. Invece il momento dipolare totale, per definizione Dalla definizione di polarizzazione si ottiene che è uguale al prodotto della carica legata di ciascuna faccia (Q" = σ"S) per la distanza d tra loro, d = l

Diapositiva n.11

Descrizione diapositiva:

Sostituendo σ"= P nelle espressioni, otteniamo da dove è uguale l'intensità del campo risultante all'interno del dielettrico. La quantità adimensionale è chiamata costante dielettrica del mezzo.

Diapositiva n.12

Descrizione diapositiva:

Diapositiva n.13

Descrizione diapositiva:

Il vettore dell'intensità del campo elettrostatico dipende dalle proprietà del mezzo e quando attraversa il confine dielettrico subisce un brusco cambiamento. Pertanto, oltre al vettore E, per caratterizzare il campo elettrostatico, viene utilizzato il vettore dello spostamento elettrico, che non subisce discontinuità al confine dei due mezzi. dove ε0 è la costante elettrica; ε è la costante dielettrica del mezzo. Lo spostamento elettrico crea difficoltà nel calcolo dei campi. Per un mezzo isotropo, il vettore spostamento elettrico

Diapositiva n.14

Descrizione diapositiva:

Diapositiva n.15

Descrizione diapositiva:

Diapositiva n.16

Descrizione diapositiva:

Le cariche legate compaiono in un dielettrico in presenza di un campo elettrostatico esterno. Il campo esterno è creato da un sistema di cariche elettriche libere. In un dielettrico esiste un campo elettrostatico di cariche libere e, inoltre, un campo elettrostatico di cariche legate. Il campo risultante in un dielettrico è descritto dal vettore intensità E, e quindi dipende dalle proprietà del dielettrico. Il vettore D descrive il campo elettrostatico creato dalle cariche libere. Le cariche legate che si formano nel dielettrico possono causare una ridistribuzione delle cariche libere che creano un campo. Il vettore D caratterizza il campo elettrostatico creato dalle cariche libere, ma con la loro distribuzione nello spazio come in presenza di un dielettrico. Il campo D, come il campo E, viene rappresentato utilizzando le linee di campo del vettore spostamento elettrico, la cui direzione e densità sono determinate allo stesso modo delle linee del vettore tensione. Le linee del vettore E possono iniziare e terminare con qualsiasi carica - libera e vincolata, mentre le linee del vettore D - solo con carica libera. Attraverso le aree del campo in cui si trovano le cariche legate, le linee del vettore D passano senza interruzione.

Diapositiva n.17

Descrizione diapositiva:

Il numero di linee del vettore D penetranti nell'area elementare dS, la cui normale n forma un angolo α con il vettore D, DdScosα = DndS, dove Dn è la proiezione del vettore D sulla normale n all'area dS. dove Flusso del vettore D. Teorema di Gauss per il campo in un dielettrico Il flusso del vettore spostamento elettrico attraverso l'area dS è simile al flusso del vettore E

Diapositiva n.18

Descrizione diapositiva:

Il flusso del vettore D dipende non solo dalla configurazione del campo D, ma anche dalla scelta della direzione. L'unità di FD del flusso del vettore D in SI è il pendente (C). 1 C è uguale al flusso di spostamento elettrico associato alla carica libera totale di 1 C. Per una superficie chiusa arbitraria S, il flusso del vettore D attraverso questa superficie

Diapositiva n.19

Descrizione diapositiva:

Teorema di Gauss per il campo elettrostatico in un dielettrico Il flusso del vettore spostamento del campo elettrostatico in un dielettrico attraverso una superficie chiusa arbitraria è uguale alla somma algebrica delle cariche elettriche libere contenute all'interno di tale superficie. Nel caso di una distribuzione continua di carica nello spazio con una densità di volume, il teorema di Gauss per il campo elettrostatico in un dielettrico può essere scritto come Il flusso del vettore spostamento del campo elettrostatico in un dielettrico attraverso una superficie chiusa arbitraria è uguale a carica gratuita contenuta nel volume delimitato da questa superficie.

Diapositiva n.20

Descrizione diapositiva:

Per il caso del vuoto, la formula può essere scritta formalmente nella forma Poiché le sorgenti del campo E nel mezzo sono sia cariche libere che legate, il teorema di Gauss per il campo E nella forma più generale può essere scritto come dove e , di conseguenza, sono le somme algebriche delle cariche libere e legate coperte da una superficie ad anello chiuso S. Tuttavia, questa formula non è accettabile per descrivere il campo E in un dielettrico, poiché esprime le proprietà del campo sconosciuto E attraverso le cariche associate, che , a loro volta, sono determinati da esso. Ciò dimostra ancora una volta la fattibilità dell’introduzione di un vettore spostamento elettrico.

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Descrizione diapositiva:

Diapositiva n.23

Descrizione diapositiva:

La proiezione del vettore tensione parallela all'interfaccia è chiamata componente tangenziale del vettore Dividendo a sinistra e a destra per otteniamo: Il vettore tangenziale Eτ è lo stesso su entrambi i lati dell'interfaccia (non subisce salti), cioè è continuo

Per ottenere le condizioni per le componenti normali dei vettori E e D, costruiamo un cilindro rettilineo di altezza trascurabile, una base del quale è nel primo dielettrico, l'altra nel secondo. Le basi ΔS sono così piccole che all'interno di ciascuna di esse il vettore D è lo stesso. Secondo il teorema di Gauss, per un campo in un dielettrico dove non ci sono cariche libere si ottiene (le normali n" alle basi del cilindro sono dirette in direzioni opposte). La componente normale del vettore D è continua, senza subendo un salto

Diapositiva n.26

Descrizione diapositiva:

Sostituendo secondo la proiezione del vettore D con le proiezioni del vettore E moltiplicate per εоε, si ottiene La componente normale del vettore E all'interfaccia tra due dielettrici subisce un salto. Pertanto, se non ci sono cariche libere all'interfaccia tra due dielettrici isotropi omogenei, allora quando attraversano questo confine, i componenti Eτ e Dn cambiano continuamente (non subiscono un salto), e i componenti En e Dτ subiscono un salto. Dalle condizioni per i vettori componenti E e D ne consegue che le linee di questi vettori subiscono una rottura (sono rifratte).

Diapositiva n.27

Descrizione diapositiva:

I ferroelettrici sono dielettrici cristallini che hanno polarizzazione spontanea in un certo intervallo di temperature. La polarizzazione, in assenza di un campo elettrico esterno, cambia in modo significativo sotto l'influenza di fattori esterni come cambiamenti di temperatura, campo elettrico e deformazione. Queste proprietà furono scoperte per la prima volta da I.V. Kurcatov e P.P. Kobeko (1930) nel suo studio sui cristalli del sale di Rochelle NaKS4H4O6 4H,O. Ha dato il nome ferroelettrico a questo tipo di cristallo. Successivamente si è scoperto che il titanato di bario, il fosfato monobasico di potassio, ecc. Hanno proprietà simili.

Diapositiva n.28

Descrizione diapositiva:

In assenza di un campo elettrico esterno, un ferroelettrico è come un mosaico di domini. I domini sono aree con diverse direzioni di polarizzazione. Nella figura, le frecce indicano le direzioni del vettore di polarizzazione. Quando un ferroelettrico viene introdotto in un campo esterno, i momenti di dipolo dei domini vengono riorientati lungo il campo. Il campo elettrico totale risultante dei domini manterrà il loro certo orientamento anche dopo la cessazione del campo esterno. Pertanto, i ferroelettrici hanno costanti dielettriche anormalmente grandi (per il sale di Rochelle, ad esempio, segn ~ 104). Nei domini adiacenti queste direzioni sono diverse, e in generale il momento dipolare del dielettrico è zero.

Diapositiva n.29

Descrizione diapositiva:

Le proprietà dei ferroelettrici dipendono fortemente dalla temperatura. Ogni ferroelettrico è caratterizzato da un cosiddetto punto Curie. Il punto di Curie è la temperatura caratteristica di ciascun tipo di ferroelettrico, al di sopra della quale scompaiono le loro insolite proprietà elettriche. In questo caso il ferroelettrico si trasforma in un normale dielettrico polare. Quando il materiale viene raffreddato, le sue proprietà ferroelettriche vengono ripristinate. Tipicamente, i ferroelettrici hanno un solo punto Curie; le uniche eccezioni sono il sale di Rochelle (-18 e +24 °C) e i composti con esso isomorfi. Nel ferroelettrico vicino al punto di Curie si osserva anche un forte aumento della capacità termica della sostanza. La trasformazione del ferroelettrico in un dielettrico ordinario, che avviene nel punto di Curie, è accompagnata da una transizione di fase del secondo ordine.

Diapositiva n.30

Descrizione diapositiva:

Nel ferroelettrico si osserva il fenomeno dell'isteresi dielettrica (ritardo), che consiste nel fatto che il ferroelettrico ha valori di polarizzazione diversi alla stessa intensità del campo elettrico (a seconda del valore della polarizzazione preliminare del campione). All'aumentare dell'intensità E del campo elettrico esterno, la polarizzazione P aumenta, raggiungendo la saturazione (curva l). Lungo la curva 2 si verifica una diminuzione di P con una diminuzione di E e a E = 0 il ferroelettrico mantiene la polarizzazione residua Pos, cioè il ferroelettrico rimane polarizzato in assenza di un campo elettrico esterno.

Diapositiva n.31

Descrizione diapositiva:

Per distruggere la polarizzazione residua è necessario applicare un campo elettrico nella direzione opposta (-E.). Il valore di Eс è chiamato forza coercitiva (dal latino coercitio - ritenzione). Se si modifica ulteriormente E, allora P cambia lungo la curva 3 del ciclo di isteresi. Vale anche la pena menzionare i piezoelettrici: sostanze cristalline in cui, quando compresse o allungate in determinate direzioni, la polarizzazione avviene anche in assenza di un campo elettrico esterno (effetto piezoelettrico diretto). Si osserva anche l'effetto piezoelettrico inverso: la comparsa di deformazione meccanica sotto l'influenza di un campo elettrico. In alcuni piezoelettrici, quando riscaldati, il reticolo degli ioni positivi si sposta rispetto al reticolo degli ioni negativi, a seguito del quale si polarizzano anche senza un campo elettrico esterno. Tali cristalli sono chiamati piroelettrici. Esistono anche elettrete: dielettrici che mantengono a lungo uno stato polarizzato dopo aver rimosso il campo elettrico esterno (analoghi elettrici dei magneti permanenti). Questi gruppi di sostanze sono ampiamente utilizzati nella tecnologia e nei dispositivi domestici.

PER ESEMPIO: aria, vetro, plexiglass, ebanite, mica, porcellana, legno secco ed altri. DIELETTRICI o isolanti – (dal greco “due” attraverso e dall’inglese “elettricista” - elettrico) sostanze in cui non sono presenti cariche elettriche libere e attraverso le quali si trasmettono interazioni elettromagnetiche

Struttura di un dielettrico Struttura di una molecola di sale da cucina NaCl Na Cl Un dipolo elettrico è una combinazione di due cariche puntiformi, uguali in grandezza e opposte in segno.

POLARE, costituito da molecole in cui i centri di distribuzione delle cariche positive e negative non coincidono; sale da cucina, alcoli, acqua, ecc. APOLARE, costituito da atomi o molecole in cui i centri di distribuzione delle cariche positive e negative coincidono; ; gas inerti, O 2, H 2, benzene, polietilene, ecc.

Il vettore di intensità E 1 del campo elettrico creato dalle cariche legate sulla superficie del dielettrico è diretto all'interno del dielettrico opposto al vettore di intensità E 0 del campo elettrico esterno, che provoca la polarizzazione. L'intensità del campo elettrico all'interno di uno spazio infinito completamente riempito con un dielettrico risulta essere uguale in intensità a E = E 0 -E 1. Un pezzo di legno (anche lui un dielettrico) E 1 E 0 CAMPO NEL DIELETTRICO

Conduttori in un campo elettrico Cariche libere - particelle cariche dello stesso segno, in grado di muoversi sotto l'influenza di un campo elettrico Cariche legate - cariche opposte incluse nella composizione di atomi (o molecole) che non possono muoversi sotto l'influenza di un campo elettrico indipendentemente l'uno dall'altro sostanze conduttori dielettrici semiconduttori

Qualsiasi mezzo indebolisce l'intensità del campo elettrico

Le caratteristiche elettriche di un mezzo sono determinate dalla mobilità delle particelle cariche in esso

Conduttore: metalli, soluzioni di sali, acidi, aria umida, plasma, corpo umano

Questo è un corpo che contiene al suo interno una quantità sufficiente di cariche elettriche libere che possono muoversi sotto l'influenza di un campo elettrico.

Se introduciamo un conduttore scarico in un campo elettrico, i portatori di carica iniziano a muoversi. Sono distribuiti in modo tale che il campo elettrico che creano sia opposto al campo esterno, cioè il campo all'interno del conduttore sarà indebolito. Le cariche verranno ridistribuite finché non saranno soddisfatte le condizioni per l'equilibrio delle cariche sul conduttore, ovvero:

un conduttore neutro introdotto in un campo elettrico rompe le linee di tensione. Terminano con cariche indotte negative e iniziano con cariche positive

Il fenomeno della separazione spaziale delle cariche è chiamato induzione elettrostatica. Il campo proprio delle cariche indotte compensa il campo esterno all'interno del conduttore con un elevato grado di precisione.

Se il conduttore ha una cavità interna, all'interno della cavità il campo sarà assente. Questa circostanza viene utilizzata quando si organizza la protezione delle apparecchiature dai campi elettrici.

L'elettrificazione di un conduttore in un campo elettrostatico esterno mediante la separazione delle cariche positive e negative già presenti in esso in quantità uguali è chiamata fenomeno di induzione elettrostatica, e le stesse cariche ridistribuite sono chiamate indotte. Questo fenomeno può essere utilizzato per elettrificare conduttori scarichi.

Un conduttore scarico può essere elettrizzato dal contatto con un altro conduttore carico.

La distribuzione delle cariche sulla superficie dei conduttori dipende dalla loro forma. La massima densità di carica si osserva nei punti e all'interno delle rientranze è ridotta al minimo.

La proprietà delle cariche elettriche di concentrarsi nello strato superficiale di un conduttore ha trovato applicazione per ottenere differenze di potenziale significative con il metodo elettrostatico. Nella fig. è mostrato uno schema di un generatore elettrostatico utilizzato per accelerare le particelle elementari.

Un conduttore sferico 1 di grande diametro è posizionato su una colonna isolante 2. Un nastro dielettrico chiuso 3 si muove all'interno della colonna, trascinando i tamburi 4. Da un generatore ad alta tensione, una carica eclettica viene trasmessa attraverso un sistema di conduttori appuntiti 5 al nastro, sul lato posteriore del nastro si trova la piastra di messa a terra 6. Le cariche del nastro vengono rimosse da un sistema di punti 7 e fluiscono sulla sfera conduttrice. La carica massima che può accumularsi su una sfera è determinata dalla perdita dalla superficie del conduttore sferico. In pratica, con generatori di concezione simile, con diametro della sfera di 10–15 m, è possibile ottenere una differenza di potenziale dell'ordine di 3–5 milioni di volt. Per aumentare la carica della sfera, l'intera struttura viene talvolta collocata in una scatola piena di gas compresso, che riduce l'intensità della ionizzazione.

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http://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/elmag/uchpos/text/2_2.html

http://www.ido.rudn.ru/nfpk/fizika/electro/course_files/el13.JPG