Обладают ли металлы экранирующим от электрического поля действием а диэлектрики

Обладают ли металлы экранирующим действием по отношению к электрическому полю?

Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.

решение вопроса

Связанных вопросов не найдено

Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.

• Все категории
• экономические 43,679
• гуманитарные 33,657
• юридические 17,917
• школьный раздел 612,713
• разное 16,911

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

• Обратная связь
• Правила сайта

диэлектрики

ДИЭЛЕКТРИКИ — вещества, относительно плохо проводящие электрич. ток (по сравнению с проводниками). Термин «Д.» (от греч. dia — через и англ. electric — электрический) введён M. Фарадеем (M. Faraday) для обозначения сред, через к-рые проникает эл—статич. поле (в отличие от металлов, экранирующих эл—статич. поле). Создаваемое внеш. источниками и поддерживаемое в веществе пост. электрич. поле вызывает направленное перемещение зарядов, т. е. электрич. ток, а также приводит к перераспределению электрич. зарядов и появлению (или изменению) электрич. дипольного момента в любом объёме вещества, т. е. к его поляризации. В зависимости от того, поляризация или электропроводность определяют электрич. свойства среды, принято деление веществ на Д. (изоляторы) и проводники (металлы, электролиты, плазма). Электропроводность Д. по сравнению с металлами очень мала. Их уд. сопротивление ~10 8 -10 17 Ом*см (у металлов ~10 -6 — 10 -4 Ом*см). Существует и промежуточный класс — полупроводники.

Различие в электропроводности Д. и металлов классич. физика объясняла тем, что в металлах есть свободные электроны (см. Друде теория металлов ),а в Д. все электроны связаны, т. е. принадлежат отд. атомам, и электрич. поле не отрывает, а лишь слегка смещает их, т. е. поляризует Д. Фактически следует говорить не об отд. электроне, связанном с ядром, а об электронном облаке, окружающем все ядра вещества. Согласно зонной теории твёрдого тела, в кристаллич. Д. при темп-ре T=0K все ниж. разрешённые энергетич. зоны полностью заполнены электронами, а все вышележащие пусты (в металлах верхняя из разрешённых зон, содержащих электроны, заполнена лишь частично). Полупроводники отличаются от Д. лишь шириной запрещённой зоны . К ним принято обычно относить вещества с ~0,2-3 эВ, а к Д. с>2-3 эВ.

Рис. 3. Изменение кругового дихроизма вследствие изменения конформации молекулы при понижении температуры.

В нек-рых случаях приближение зонной теории оказывается недостаточным для решения вопроса о том, является вещество Д. или проводником. Взаимодействие электронов при определ. условиях приводит к тому, что вещество с незаполненной достаточно узкой разрешённой зоной является Д. (см. Переход металл — диэлектрик).

Электрические характеристики диэлектриков. Класс Д. охватывает большое кол-во веществ в твёрдом, жидком и газообразном состояниях. Твёрдыми Д. являются мн. кристаллы и аморфные вещества (стёкла, смолы). Все газы состоят в основном из нейтральных атомов и молекул и поэтому в обычных условиях не проводят электрич. тока, т. е. являются Д. С повышением темп-ры T атомы и молекулы ионизируются и газ превращается в плазму.

В рамках макроскопич. теории, рассматривающей Д. как сплошную среду (континуальное приближение), для описания электрич. состояния Д. используется понятие плотности электрич. заряда (r — пространств. координата точки), усреднённого по малому объёму, содержащему достаточно большое число атомов. Под действием внеш. электрич. поля в Д. возникает плотность заряда и в результате — дополнительное к внешнему электрич. поле. Для описания электрич. состояния Д. наряду с р удобно вводить вектор поляризации (электрич. дипольный момент единицы объёма Д.) , связанный с соотношением:

Распределение плотности заряда и электрич. поля Е в Д. можно найти, решая систему Максвелла уравнений для статич. поля:

дополненную зависимостью (ур-ние состояния Д.). Зависимость характеризует электрич. свойства Д. Она различна для разных веществ и даже для разных образцов одного вещества, т. к. зависит от однородности, степени чистоты материала, содержания дефектов в нём и т. п.

Для большинства Д. в широком интервале полей справедлива линейная зависимость , выражаемая для изотропных веществ и кубич. кристаллов соотношением:

В системе единиц СИ , где =8,85*10 -12 Ф/м. Коэф. пропорциональности в соотношении (3) наз. диэлектрич. восприимчивостью Д. Вместо вектора часто пользуются вектором , наз. электрической индукцией:

Величина наз. диэлектрической проницаемостью. Очевидно, что:

(в СИ ).

В вакууме (в системе СГСЭ); для любого Д. >1. Величины являются осн. характеристиками электрич. свойств Д. Сила взаимодействия двух точечных электрич. зарядов, помещённых в безграничный Д., в раз слабее, чем для тех же зарядов в вакууме. Введение D не даёт дополнит. информации о поведении Д. в электрич. поле и целесообразно лишь для удобства записи ур-ний Максвелла.

Для анизотропных сред вместо (2) справедливо более общее соотношение: , где — тензор диэлектрич. проницаемости. Это симметричный тензор второго ранга , определяемый шестью величинами. В анизотропном Д. не параллельны друг другу, т. к. зависит от ориентации вектора относительно осей симметрии кристалла.

В ограниченном Д., помещённом в однородное внеш. электрич. поле, поляризация и поле однородны лишь в том случае, когда образец имеет форму эллипсоида. В этом случае удаётся найти аналитически поле, обусловленное зарядами, возникшими при поляризации Д. Внутри эллипсоида это поле противоположно по направлению внеш. полю и наз. поэтому деполяризующим. Его величина определяется по ф-ле , где N_ik — тензор деполяризующих факторов. Для шара N_ik сводится к скаляру: .

Осн. задача микроскопич. теории Д.- расчёт , исходя из сведений о структуре вещества.

Поляризация газов. Простейший случай — разреженный инертный газ, где дипольный момент появляется у атомов в результате смещения электронов относительно ядра (деформация электронного облака) в электрич. поле. Такой механизм поляризации наз. электронным. В этом случае (если пренебречь взаимодействием между атомами) выражается ф-лой:

где N — число атомов в единице объёма Д., — поляризуемость атома (коэф. пропорциональности между дипольным моментом атома и электрич. полем, действующим на него). Ф-ла (3) справедлива при условии

.

При увеличении давления в газе необходимо учитывать взаимодействие между атомами. Дальнодействующие диполь-дипольные взаимодействия приводят к отличию локального электрич. поля, действующего на атом , от приложенного поля Е:

Здесь — т. н. поле Лоренца. В этом случае e описывается Клаузиуса — Моссотти формулой:

Ф-ла (3) справедлива и для разреженных молекулярных газов, если — поляризуемость молекулы .Последняя определяется распределением плотности электронов и ядер в молекуле, обусловленной характером химической связи. В молекулах с ионной связью (электроны распределены так, что можно выделить отдельные ионы) поляризуемость является результатом сдвига ионов противоположного знака относительно друг друга (ионная поляризация) и деформации электронных оболочек ионов (электронная поляризация). Поляризуемость молекулы в этом случае является суммой электронной и ионной поляризуемостей. В молекулах с ковалентной связью поляризация обусловлена в основном электронами, осуществляющими хим. связь. В газах из полярных молекул (обладающих электрич. дипольными моментами, к-рые ориентированы в отсутствие электрич. поля E хаотически) под действием поля молекулы ориентируются вдоль него. В этом случае преобладает ориентационная поляризация. Ориентационная поляризуемость молекул сильно зависит от темп-ры, т. к. тепловое движение молекул оказывает разориентирующее воздействие на систему упорядоченных диполей. Поэтому вклад ориентационной поляризации убывает при повышении T. Для ср. значения коллинеарной полю Е компоненты дипольного момента молекулы, воспользовавшись распределением Вольцмана для частиц в однородном силовом поле, находят:

где L(x)наз. Ланжевена функцией. При , для разреженных газов (Ланжевена — Дебая формула).

Сходный механизм поляризации связан с перескоком под действием электрич. поля отд. ионов из одних положений равновесия в другие. Такой механизм особенно часто наблюдается в молекулах с водородной связью, где ионы водорода имеют обычно неск. положений равновесия.

Поляризация конденсированных сред определяется теми же механизмами, к-рые указаны выше для молекул. Расчёт (как и др. констант) конденсированных сред весьма сложен. Однако иногда оказываются эффективными простые приближённые ф-лы. Так, соотношение (3) хорошо выполняется для конденсированных веществ, если в них молекулы сохраняют свою индивидуальность, напр. для молекулярных кристаллов. Для ионных кристаллов удаётся разделить вклады ионной и электронной поляризаций. Последняя определяет — диэлектрич. проницаемость при частотах , больших собств. частот колебаний ионов (оптич. колебаний кристаллической решётки), но меньших характерных электронных частот. В диэлектрич. проницаемость при дают вклады как ионная, так и электронная поляризации. В пренебрежении ангар-монизмом определяется теми же коэф. «жёсткости» для относительного сдвига подрешёток одинаковых ионов, что и предельные частоты поперечных оптич. колебаний. От величины зависит электрич. поле, возникающее при продольных оптич. колебаниях и определяющее отличие частот продольных и поперечных колебаний. Для двухатомных кристаллов (напр., NaCl) сказанное отражает ф-ла:

являющаяся простейшей формой более общей ф-лы Лиддана — Сакса — Теллера.

Значение конденсированной среды существенно зависит от структуры вещества и от внеш. условий, обычно меняясь в пределах от неск. единиц до неск. десятков (у сегнетоэлектриков до 10 5 ; см. табл. в ст. Диэлектрическая проницаемость). Такой разброс значений объясняется отчасти тем, что в разных веществах осн. вклад в дают разл. механизмы поляризации. Напр., в Д. с полярными молекулами, где наблюдается ориентационная поляризация, сравнительно велика (для воды =81).

Диэлектрики в переменном поле. Если E изменяется во времени, то поляризация Д. не успевает следовать за вызывающим её перем. электрич. полем, т. к. смещения зарядов не могут происходить мгновенно. Вследствие этого векторы и данный момент времени t зависят от значений ф-ции E(t)во все предшествующие моменты времени:

где вид ф-ции f зависит от свойств среды.

Поскольку любое перем. поле можно представить в виде совокупности полей, меняющихся по гармонич. закону, то достаточно рассмотреть поведение Д. в поле . Под действием такого поля величины и будут колебаться также гармонически с той же частотой. Однако между колебаниями будет существовать разность фаз, что вызвано отставанием поляризации . Зависимость выражается ф-лой:

Диэлектрич. проницаемость e(w) является комплексной величиной , т. е. характеризуется двумя величинами , зависящими от . Абс. величина определяет амплитуду колебания D, а отношение определяет разность фаз между колебаниями D и E. Величина наз. углом диэлектрических потерь в связи с тем, что наличие разности фаз приводит к поглощению энергии электрич. поля в Д. Действительно, работа, совершаемая полем

E в единице объёма Д., выражается интегралом .

Взятый за 1 период колебания этот интеграл обращается в 0, если колеблются синфазно или в противофазе . В остальных случаях интеграл 0. Доля энергии, теряемой за 1 период, равна .

В перем. электрич. полях высоких частот, напр. в поле световой волны, свойства Д. принято характеризовать преломления показателем п и поглощения показателем k (вместо). Показатель преломления п равен отношению скоростей распространения эл—магн. волн в Д. и в вакууме; k характеризует затухание эл—магн. волны в Д. Величины связаны соотношением:

Дисперсия диэлектрической проницаемости. Зависимость диэлектрич. проницаемости от частоты перем. поля наз. частотной или временной дисперсией диэлектрич. проницаемости.

Рис. 1. Две характерные зависимости поляризации диэлектрика от времени t: а — релаксационная, б — резонансная. Постоянное электрическое поле E включается в момент времени t=0.

Рис. 2. а — Релаксационный характер дисперсии диэлектрической проницаемости , соответствующий зависимости , изображённой на рис. 1, а; б — Резонансный характер дисперсии , соответствующий зависимости, изображённой на рис. 1, б.

Из общих соображений можно показать, что ф-ция является чётной: , а ф-ция — нечётной: . Кроме того, ф-ция и связаны интегральными Крамерса — Кронига соотношениями .Характер зависимостей отражает процесс установления поляризации во времени. Если изменение при включении поля имеет характер затухающих колебаний (рис. 1, б), то зависимости наз. резонансными (рис. 2, б). При ориентационной поляризации — экспонента (рис. 1, а). В этом случае наз. релаксационными (рис. 2, а).

Ф-ция имеет простой вид лишь для простейших систем, напр. для разреженного инертного газа. Если рассматривать атомы как совокупность классич. гармонич. осцилляторов, то ур-ние движения осциллятора в электрич. поле имеет вид:

Здесь е, т — величины порядка заряда электрона и его массы, — собств. частота, характеризует затухание. Из (6) следует закон дисперсии:

Здесь , где N — число атомов-осцилляторов в единице объёма Д. Квантовомеханич. рассмотрение даёт сходный результат с тем отличием, что частотам придаёт иное физ. содержание: — одна из частот поглощения или излучения атома, отвечает обратному времени жизни атома в соответствующем возбуждённом состоянии, — величина, связанная с вероятностью переходов атома из одного состояния в другое (плазменная частота).

Колебания ионов в твёрдом теле можно представить в виде совокупности нормальных колебаний, т. е. рассматривать кристаллич. решётку как набор независимых гармонич. осцилляторов. На однородное в пространстве, переменное по времени электрич. поле реагирует строго определ. число этих осцилляторов — те из них, к-рые отвечают предельным оптич. колебаниям, сопровождающимся изменением поляризации (их наз. также колебаниями, активными в ИК-поглощении). Поэтому обобщение ф-лы (7) (2-й член заменяется на сумму членов того же вида) часто используется для описания дисперсии в твёрдом теле. Фактически при этом учитываются частично и эффекты решёточного ангармонизма — наличием члена затухания, пропорц. . При более полном учёте этих эффектов вид усложняется.

В области низких частот дисперсия может быть описана с помощью ф-лы (7) и для сильно ангармонич. систем. При этом нужно учесть, что , и ф-лу (7) можно представить в виде ф-лы Дебая:

где — время релаксации. Такая зависимость применима в широком интервале , когда осн. механизмом поляризации является ориентационный.

Рис. 3. Зависимость твёрдого диэлектрика от частоты поля E.

На рис. 3 изображена зависимость , характерная для широкого класса твёрдых Д. Выделяется неск. областей дисперсии в разных диапазонах , что указывает на несколько различных механизмов поляризации. В ионных кристаллах типичные периоды колебаний ионов ~10 -13 с. Поэтому область дисперсии , обусловленная ионной поляризацией, приходится на частоты ~10 13 Гц (ИК-диапазон). При более высоких частотах ионы уже не успевают смещаться и весь вклад в поляризацию обусловлен электронами. Характерные периоды колебаний электронов 10 -15 с. Эл—магнитные волны на частотах ~10 15 Гц (УФ-диапазон) сильно поглощаются, т. е. резко возрастает . При меньших (в частности, для видимого света) чистые однородные Д. (в отличие от металлов) прозрачны (наличие примесей и дефектов приводит к появлению электронных уровней в запрещённой зоне Д., а следовательно, к дополнит. поглощению эл—магн. волн определ. частот, что вызывает окраску кристаллов, см. Центры окраски ).В Д. с полярными молекулами характерные времена установления ориентационной поляризации определяются величиной потенциального барьера U, разделяющего состояния с разл. ориентациями электрич. диполей. Эти времена зависят от темп-ры:

Они сравнительно велики, порядка 10 -6 -10 -8 с. Ещё в более низкой области частот может наблюдаться релаксационная дисперсия, обусловленная эфектами и неоднородностями Д. Для нек-рых Д. могут быть существенными более специфич. механизмы дисперсии, напр. связанные с колебаниями под действием поля доменных стенок в сегнетоэлектриках. T. о., изучая зависимость , можно получить сведения о свойствах Д. и выделить вклад в поляризацию от разл. её механизмов.

Поляризация диэлектриков в отсутствие внешнего электрического поля наблюдается у ряда твёрдых Д. и объясняется особенностями их структуры. В пьезоэлектриках поляризация возникает при определ. деформации кристалла, причём имеет место линейная связь между и соответств. компонентами тензора напряжений (или деформаций) кристалла в соответствующих направлениях. Пьезоэлектрич. эффект обратим — при наложении электрич. поля E в пьезоэлектриках возникают деформации, пропорциональные E.

У нек-рых Д. поляризация (и связанные с ней электрич. эффекты) возникают при изменении темп-ры. Это является следствием температурной зависимости спонтанной (самопроизвольной) поляризации, к-рая при неизменной темп-ре экранируется носителями заряда, и образец становится электрически нейтральным. Вещества, обладающие зависящей от T спонтанной поляризацией, наз. пироэлектриками.

Особой разновидностью пироэлектриков являются сегнетоэлектрики .При нагревании они обычно переходят в непироэлектрич. состояние. Спонтанная поляризация сегнетоэлектриков испытывает более существенные (чем у др. пироэлектриков) изменения под влиянием внеш. воздействий (изменения темп-ры, механич. напряжений, электрич. поля). Поэтому для сегнетоэлектриков характерны большие значения пироэлектрич. и пьезоэлектрич. коэффициентов и диэлектрич. проницаемости. Кристалл сегнетоэлектрика обычно разбит на домены с разл. направлениями температурно-зависимой части спонтанной поляризации.

Пиро- и пьезоэффекты возможны лишь у кристаллов определённых точечных групп симметрии кристалла.

Электропроводность диэлектриков мала, однако она всегда отлична от нуля (табл.).

Удельное сопротивление и электрическая прочность E_пр некоторых твёрдых диэлектриков.

, Ом*см

—>ФИЗИЧЕСКИЙ КАЛЕЙДОСКОП —>

1. Чем отличается пространство вокруг заряженных тел от пространства вокруг тел незаряженных?
2. В каком случае в пространстве существует электрическое поле? Как его можно обнаружить?
3. Существует ли электрическое поле вокруг электрона?
4. Существует ли электрическое поле вокруг незаряженного тела?
5. Как можно обнаружить электрическое поле вблизи заряженного тела?
6. Как изменяется электрическоё поле заряженного тела при удалении от него?

Средний уровень

1. Существует ли электрическое поле возле палочки? Определите знак зарядов у шарика и листочков электроскопа. (см. рис.1)

2. Существует ли электрическое поле вблизи нейтрального атома?
3. Существует ли электрическое поле возле палочки? Каким зарядом заряжен электроскоп? Пунктиром показано первоначальное положение листочков. (см. рис.2)

4. Как доказать, что электрическое поле материально?
5. Электрическое поле равномерно заряженного шара действует на пылинку, находящуюся в нем. Действует ли поле пылинки на шар?
6. Будут ли взаимодействовать близко расположенные электрические заряды в безвоздушном пространстве, например, на Луне, где нет атмосферы?
1. 2. 3. 4.

Достаточный уровень

1. Можно ли объяснить электризацию тел перемещением атомов и молекул? Почему?
2. Величина заряда на одном из тел, помещенных в поле заряженного шара, больше, чем на другом. На какое из них поле действует с меньшей силой? Как изменятся действующие на них силы, если заряд, образующий поле, увеличить?
3. В электрическом поле равномерно заряженного шара в точке А находится заряженная пылинка (см. рис.3). Как направлена сила, действующая на пылинку со стороны поля?

4. Одинаковые ли силы действуют на равные по величине заряды 1 и 2 со стороны поля заряженного металлического шара (см. рис.4)?

5. Величина заряда на одном из тел, помещенных в поле заряженного шара, больше, чем на другом. На какое из них поле действует с меньшей силой? Как изменятся действующие на них силы, если заряд, образующий поле, увеличить?
6. Обладают ли металлы экранирующим от электрического поля действием? А диэлектрики?

Высокий уровень

1. Что общего между гравитационным и электрическим взаимодействием? Каковы наиболее заметные отличия?
2. Если к заряженному электроскопу поднести горящую спичку, он довольно быстро разряжается. Объясните этот опыт.
3. Зернышко риса притягивается к отрицательно заряженной эбонитовой палочке. Можно ли утверждать, что зернышко заряжено положительно? Обоснуйте свой ответ.
4. Почему незаряженные тела притягиваются к заряженным, независимо от знака их заряда?
5. Полый металлический шарик поместили в сильное электрическое поле. Существует ли поле в полости?
6. Почему стрелка электроскопа отклоняется, если к нему поднести заряженный предмет, не прикасаясь к электроскопу?

Обладают ли металлы экранирующим от электрического поля действием а диэлектрики

Кирик Л.А ФГОС 8 класс онлайн Самостоятельная работа № 8 Достаточный уровень

Кирик Л.А ФГОС 8 класс онлайн Самостоятельная работа № 8 Достаточный уровень

1. а) Будут ли взаимодействовать близко расположенные электрические заряды в безвоздушном пространстве, например на Луне, где нет атмосферы?

Да, поскольку вокруг каждого электрического заряда существует электрическое поле.
б) Можно ли объяснить электризацию тел перемещением атомов и молекул? Почему?
Нет, атомы и молекулы не перемещаются.
2. а) Какими опытами можно подтвердить, что электрическое поле обладает энергией?
С помощью магнетометра, вольтметра.
б) Что позволяет утверждать, что вокруг заряженного тела существует электрическое поле?

Так, например, заряженная гильза, оказавшаяся в электрическом поле наэлектризованной палочки, подверглась действию силы притяжения к ней.

3. а) Почему стрелка электроскопа отклоняется, если к нему поднести заряженный предмет, не прикасаясь к электроскопу?

В результате разделения зарядов, происходящего под действием электрического поля, стрелка и нижняя часть стержня электроскопа приобретают одноименные заряды

б) Перечислите основные свойства электрического поля.

• Электрическое поле действует на заряженные тела с некоторой силой.
• Вблизи заряженных тел электрическое поле сильнее, а вдали — слабее.

4. а) Если к заряженному электроскопу поднести горящую спичку, он довольно быстро разряжается. Объясните это явление.

Пламя увеличивает электропроводность воздуха рядом с электроскопом и создает конвекционный поток переноса

б) Передается ли действие заряженных тел друг на друга в безвоздушном пространстве?
Да, частицы могут перемещаться даже в вакууме.

5. а) Чем отличается пространство, окружающее заряженное тело, от пространства, окружающего незаряженное тело?

В пространстве вокруг заряженного тела существует электрическое поле, незаряженного — не существует.
б) Каковы главные признак и свойство электрического поля?

• Электрическое поле действует на заряженные тела с некоторой силой.
• Вблизи заряженных тел электрическое поле сильнее, а вдали — слабее.

6. а) Как, по предположению Фарадея, осуществляется взаимодействие заряженных тел? Получило ли это предположение подтверждение на опыте?

Согласно гипотезе Фарадея электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает в окружающем пространстве электрическое поле. Поле одного заряда действует на поле другого.

б) Обладают ли металлы экранирующим действием по отношению к электрическому полю?

Металлы отражают электромагнитные волны, диэлектрики ослабляют электрическое поле
Электрического поля внутри металла (проводника) нет, поле внутри диэлектрика ослаблено.