Что представляют собой связанные заряды

Что представляют собой связанные заряды

Связанные заряды. В результате процесса поляризации в объеме (или на поверхности) диэлектрика возникают нескомпенсированные заряды, которые называются поляризационными, или связанными. Частицы, обладающие этими зарядами, входят в состав молекул и под действием внешнего электрического поля смещаются из своих положений равновесия, не покидая молекулы, в состав которой они входят. Связанные заряды характеризуют поверхностной плотностью .

Выделим в поляризованном диэлектрике наклонную призму с основанием S и ребром L, параллельным вектору поляризации P (рис. 2.4). В результате поляризации на одном из оснований призмы появятся отрицательные заряды с поверхностной плотностью , а на другой положительные заряды с плотностью .

С макроскопической точки зрения, рассматриваемый объем эквивалентен диполю, образованному зарядами и , которые отстоят друг от друга на расстояние L, тогда электрический момент призмы равен .

С другой стороны, электрический момент единицы объема равен , где — угол, между направлением нормали к основанию призмы и вектором P. Произведение есть объем призмы.

Приравняв друг к другу оба выражения для электрического момента, получаем, что поверхностная плотность связанных зарядов равна нормальной составляющей вектора поляризации:

,

где n — единичный вектор нормали к поверхности диэлектрика.

Если вектор поляризации P различен в разных точках объема диэлектрика, то в диэлектрике возникают объемные поляризационные заряды, объемная плотность которых .

Электрическое поле в диэлектрике. Рассмотрим плоский однородный диэлектрический слой, расположенный между двумя разноименно заряженными плоскостями (рис. 2.5). Пусть напряженность электрического поля, которое создается этими плоскостями в вакууме, равна ,

где — поверхностная плотность зарядов на пластинах (эти заряды называют свободными). Под действием поля диэлектрик поляризуется, и на его гранях появляются поляризационные или связанные заряды. Эти заряды создают в диэлектрике электрическое поле , которое направлено против внешнего поля .

,

где — поверхностная плотность связанных зарядов. Результирующее поле внутри диэлектрика

.

Поверхностная плотность связанных зарядов меньше плотности свободных зарядов, и не все поле E₀ компенсируется полем диэлектрика: часть линий напряженности проходит сквозь диэлектрик, другая часть обрывается на связанных зарядах (рис. 2.5). Вне диэлектрика . Следовательно, в результате поляризации поле внутри диэлектрика оказывается слабее, чем внешнее . Таким образом,

,

где — диэлектрическая проницаемость среды. Из формулы видно, что диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз напряженность поля в вакууме больше напряженности поля в диэлектрике. Для вакуума , для диэлектриков .

1) Почему заряды имеют различные названия: связанные, свободные заряды, сторонние, поляризационные
2) Какой физический смысл имеет диэлектрическая проницаемость среды. Может ли величина диэлектрической проницаемости быть меньше 1
3) Чему равна: поверхностная и объемная плотность поляризационных зарядов

11.10. Свободные и связанные заряды. Поляризация вещества

Свободными зарядами называют заряды, которые под воздействием сил поля могут свободно перемещаться в веществе, их перемещение не ограничивается внутримолекулярными силами.

Под связанными зарядами принято понимать электрические заряды, входящие в состав вещества и удерживаемые в определенных положениях внутримолекулярными силами. Такие заряды «связаны» с данным веществом, неотделимы от него. Сумма положительных связанных зарядов равна сумме отрицательных связанных зарядов.

Если какое-либо диэлектрическое тело поместить в электрическое поле, то оно поляризуется.

Под поляризацией понимают упорядоченное изменение расположения связанных зарядов в теле, вызванное электрическим полем. Это изменение расположения проявляется в том, что отрицательные связанные заряды в теле переместятся в направлении более высокого потенциала, а положительные связанные заряды переместятся в сторону более низкого потенциала. Заряды сместятся настолько, что силы воздействия электрического поля на связанные заряды уравновесятся внутримолекулярными силами. В результате поляриза­ции на поверхности вещества как бы обнажаются связанные заряды.

11.11. Вектор поляризации

Электрическим моментом двух равных по величине и противоположных по знаку зарядов, находящихся друг от друга на расстоянии l (диполя), называют произведение ql. Это векторная величина, направленная от заряда —q к заряду +q (рис. 11.6, а).

Рис. 11.6. К вопросу поляризации вещества: а) – электрический диполь, б) – электрический момент суммы диполей, в) – расположение связанных зарядов в диэлектрике.

В поляризованном веществе молекулы в электрическом отношении представляют собой диполи. Под действием внешнего электрического поля диполи стремятся ориентироваться в пространстве таким образом, чтобы электрический момент их был направлен параллельно вектору напряженности электрического поля. Практический интерес представляет электрический момент не одной молекулы, не одной пары зарядов, а суммы диполей, находящихся в единице объема вещества.

Электрический момент суммы диполей, находящихся в единице объема вещества, называют вектором поляризации и обозначают буквой

Для большинства диэлектриков Р пропорционален напряженности электрического поля Е. Коэффициент пропорциональности между ними обозначают обычно через k и называют электрической восприимчивостью

Все диэлектрики в отношении происходящих в них процессов при поляризации могут быть разбиты на 2 группы.

В первую группу входят диэлектрики, молекулы которых при отсутствии внешнего электрического поля электрически нейтральны, т.е. в них центры действия положительных и отрицательных зарядов совпадают. К числу таких диэлектриков относятся водород, азот, парафин, слюда и др.

Поляризация в диэлектриках первой группы состоит в том, что под действием внешнего электрического поля центр действия положительного заряда молекулы сместится по внешнему полю, а центр действия отрицательных зарядов сместится против поля. В результате молекула становится диполем. Это смещение зарядов молекулы пропорционально величине напряженности внешнего поля. Смещению противодействуют внутримолекулярные силы.

Во вторую группу диэлектриков входят диэлектрики, молекулы которых при отсутствии внешнего электрического поля представляют собой диполи. Другими словами, центры действия положительных и отрицательных зарядов этих молекул при отсутствии внешнего электрического поля не совпадают (полярные молекулы). В качестве диэлектрика с полярными молекулами может быть назван, например, хлористый водород.

Благодаря тепловому движению диполи располагаются хаотично, так что при отсутствии внешнего электрического поля их электрические поля взаимно нейтрализуются. Поляризация в диэлектриках второй группы состоит в том, что полярные молекулы стремятся повернуться таким образом, чтобы их электрический момент был направлен по внешнему электрическому полю.

СВЯЗАННЫЕ ЗАРЯДЫ

электрич. заряды частиц, входящих в состав атомов и молекул диэлектрика, а также заряды ионов в кристаллич. диэлектриках с ионной решёткой.

Большой энциклопедический политехнический словарь . 2004 .

• СВЧ РАЗРЯДНИК
• СВЯЗАННЫЕ КОЛЕБАНИЯ

Смотреть что такое «СВЯЗАННЫЕ ЗАРЯДЫ» в других словарях:

• СВЯЗАННЫЕ ЗАРЯДЫ — электрические заряды частиц, входящих в состав атомов и молекул диэлектрика, в состав кварков, образующих составные микрочастицы (см. ), а также заряды ионов в кристаллических диэлектриках с ионной хим. связью … Большая политехническая энциклопедия
• Уравнения Максвелла — Классическая электродинамика … Википедия
• МАКСВЕЛЛА УРАВНЕНИЯ — фундаментальные ур ния классич. макроскопич. электродинамики, описывающие эл. магн. явления в любой среде (и в вакууме). Сформулированы в 60 х гг. 19 в. Дж. Максвеллом на основе обобщения эмпирич. законов электрич. и магн. явлений и развития идеи … Физическая энциклопедия
• Индукция электростатическая — наведение в проводниках или диэлектриках электрических зарядов в постоянном электрическом поле. В проводниках подвижные заряженные частицы электроны перемещаются под действием внешнего электрического поля. Перемещение происходит… … Большая советская энциклопедия
• РЕНТГЕНА ОПЫТ — один из классич. экспериментов по электродинамике движущихся сред, доказавший, что ток связанных зарядов (ток Рентгена), возникающий при движении наэлектризов. диэлектрика, по своему магн. действию тождествен с током проводимости и с конвекц.… … Физическая энциклопедия
• Поляризация диэлектриков — У этого термина существуют и другие значения, см. Поляризация. Поляризация диэлектриков явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего… … Википедия
• Максвелла уравнения — фундаментальные уравнения классической макроскопической электродинамики (См. Электродинамика), описывающие электромагнитные явления в произвольной среде. М. у. сформулированы Дж. К. Максвеллом в 60 х годах 19 века на основе обобщения… … Большая советская энциклопедия
• ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД — одна из осн. хар к частиц и тел, определяющая их взаимодействие с внеш. электромагнитным полем, а также их взаимосвязь с собств. электромагн. полем. Существуют Э. з. двух сортов, условно наз. по ложительными и отрицательными. Э. з. тела равен… … Большой энциклопедический политехнический словарь
• ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ — величина e, характеризующая поляризацию диэлектриков под действием электрич. поля Е. Д. п. входит в Кулона закон как величина, показывающая, во сколько раз сила вз ствия двух свободных зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме. Ослабление вз… … Физическая энциклопедия
• ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ — процесс образования электрич. дипольного момента в диэлектрике. Различают П. д. во внеш. электрпч. поле и самопроизвольную (спонтанную) поляризацию сегнетоэлектриков. П. д. во внеш. электрич. поле возникает гл. обр. вследствие: а) упругого… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Свободные и связанные электрические заряды, токи проводимости и смещения

Частицы, из которых состоят любые вещества, обладают электрическими зарядами. Электрон имеет отрицательный заряд е = 0,16 • 10 -18 к, а протон — такой же положительный заряд. Суммарный заряд атома, молекулы или тела, состоящего из множества молекул, может быть положительным, отрицательным или равным нулю в зависимости от соотношения между общими положительными и отрицательными зарядами составляющих их элементарных частиц.

В зависимости от способности перемещаться в электрическом поле заряды могут быть разделены на две большие группы. Заряды первой группы характеризуются возможностью неограниченного перемещения в электрическом поле и поэтому называются свободными зарядами. Вторая группа зарядов не имеет этой возможности, их перемещение ограничивается структурой атома, молекулы, кристалла или неоднородностью строения вещества. Эти заряды называются связанными.

Разделение на свободные и связанные заряды не всегда зависит только от физической природы рассматриваемых частиц. Заряды, являющиеся свободными в однородной среде, могут оказаться связанными при образовании композиций, состоящих из различных материалов.

Свободные электроны и ионы вещества под действием электрического поля перемещаются от одного электрода к другому, образуя ток проводимости.

Связанные электрические заряды под действием электрического поля имеют возможность перемешаться только в некоторых, часто очень ограниченных, пределах. Этот процесс перемещения, называемый поляризацией, характеризуется вектором поляризации, и существенно зависит от физических связей между зарядами. При поляризации смещаются заряды под действием электрического поля и появляется ток смещения.

Диэлектрик содержит равное количество положительных и отрицательных связанных между собой зарядов, и влияние внешнего электрического поля сказывается на взаимном смещении центров положительных и отрицательных зарядов и в появлении электрических моментов пар разноименных зарядов — дипольных моментов. В однородном поле вектор поляризации представляет собой среднее значение суммарного дипольного момента единицы объема. Поляризации диэлектрика зависит от напряженности электрического поля.

Материалы, в которых имеют значение только токи проводимости, а токами смещения можно пренебречь, называются проводниками. Материалы, в которых токи проводимости ничтожны и ими можно пренебречь, называются изоляторами. Материалы, в которых большое значение имеет поляризация, называются диэлектриками (смотрите — Металлы и диэлектрики — в чем отличие). Те материалы, в которых необходимо учитывать как токи проводимости, так и токи смещения, относят к категории полупроводников.

Явление поляризации диэлектриков и появления тока смещения в промышленности используется при высокочастотном нагреве диэлектриков (например, сушка древесины, картона, нагрев в пищевой промышленности) и полупроводников.

Нагреваемый материал помещается между пластинами конденсатора, к которым подведено напряжение высокой частоты. Токи проводимости и смещения, возникающие в материале, помещенном в электрическом поле высокой частоты, вызывают выделение тепла в материале и его нагрев. Этот вид нагрева называется диэлектрическим нагревом.

Процесс сушки влажных материалов, т. е. удаление из них влаги, может происходить за счет двух явлений: непосредственного испарения влаги внутри материала и выхода ее в виде пара и перемещения влаги в жидкой фазе из внутренних областей к поверхности. Наличие электрического поля в материале оказывает существенное влияние на испарение и перемещение влаги, позволяя значительно интенсифицировать процесс сушки.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика