Ce efect se exercită asupra câmpului electrostatic de către organisme care nu sunt conductori? Pentru a clarifica acest lucru, trebuie să devenim mai familiarizați cu structura acestor organisme. Într-un izolator sau într-un dielectric, încărcăturile electrice, sau mai precis, particulele încărcate electric - electronii și nucleele în atomi neutrii sunt corelați între ei; ei nu pot, ca și taxele libere ale unui dirijor, să se miște sub acțiunea unui câmp electric în tot corpul.
Diferența în structura conductorilor și a dielectricilor conduce la faptul că se comportă diferit în câmpul electrostatic. Un câmp electric poate exista într-un dielectric; în timp ce dielectricul are un câmp, o anumită influență.
Cu ajutorul unui simplu experiment, se poate verifica dacă un dielectric neîncărcat poate crea un câmp electric. În figura 1, vedeți un electrometru încărcat cu un disc metalic la capătul tijei. Dacă un dielectric neîncărcat este aplicat pe un disc cu un astfel de electrometru, de exemplu o sticlă groasă, atunci săgeata electrometrului se va apropia de tijă (figura 2). Acest lucru se poate întâmpla numai dacă dielectricul însuși, plasat în câmpul electric al unui disc încărcat, creează el însuși un câmp electric.
Acest câmp afectează distribuția încărcăturii în tija electrometrului, reducând încărcarea săgeții și a tijei și creșterea încărcării discului în consecință.
Proprietăți electrice ale atomilor și moleculelor neutre.
Pentru a înțelege modul în care un dielectric neîncărcat creează un câmp electric, trebuie mai întâi să cunoaștem proprietățile electrice ale celor neutre; atomi și molecule.
Atomii și moleculele constau din particule încărcate pozitiv - nuclei și particule încărcate negativ - electroni. Figura 3 prezintă schema celui mai simplu atom - atomul de hidrogen. Încărcarea pozitivă a atomului (sarcina nucleului) este concentrată în centrul său. Electronul se mișcă în atom cu viteză mare. O revoluție în jurul nucleului pe care o face într-un timp foarte scurt, de ordinul 10 -15 s. Prin urmare, de exemplu, în 10-9 s reușește să realizeze un milion de revoluții și, prin urmare, un milion de ori să viziteze la oricare dintre cele două puncte 1 și 2, situate simetric în raport cu nucleul. Acest lucru dă motive să creadă că, în medie, centrul de distribuție al sarcinii negative intră pe mijlocul atomului, adică coincide cu nucleul încărcat pozitiv.
Totuși, acest lucru nu este întotdeauna cazul. Luați în considerare o moleculă de sare de NaCl. Atomul de sodiu are în cochilia exterioară un electron de valență, legat slab de atom. Clorul are șapte electroni de valență. Când se formează o moleculă, electronul unic de valență de sodiu este capturat de clor. Ambii atomi neutri sunt transformați într-un sistem de doi ioni cu încărcături de semne opuse (Figura 4). Încărcările pozitive și negative nu sunt acum distribuite simetric peste volumul moleculei: centrul distribuției încărcăturii pozitive este reprezentat de ionul de sodiu și sarcina negativă de către ionul de clor.
Dipol electric. La o mare distanță, molecula poate fi considerată aproximativ ca un set de încărcări de două puncte, egale în magnitudine și opuse în semn, situate la o anumită distanță unul față de celălalt (figura 5). Un astfel de sistem de încărcări, în general neutru, se numește un dipol electric.
Două tipuri de dielectrice.
Dielectricile pot fi împărțite în două tipuri:
- polar, constând din molecule în care centrele de distribuție a sarcinilor pozitive și negative nu coincid;
- nonpolar, constând din atomi sau molecule în care centrele de distribuție a sarcinilor pozitive și negative coincid.
Dielectricii polari includ alcooli, apă și alte substanțe; la gaze inerte nepolare, oxigen, hidrogen, benzen, polietilenă etc.
Există două tipuri de dielectrice; polar și nepolar. Ele diferă în structura moleculelor.
Fig. 3 Fig. 4 Fig. 5
POLARIZAREA DIELECTRICELOR. PERMEABILITATE DIELECTRICĂ
Acum, să vedem ce se întâmplă cu dielectricul din câmpul electric. Să introducem o cantitate care caracterizează proprietățile electrice ale dielectricilor.
Polarizarea dielectricilor polari. Un dielectric polar constă din molecule care pot fi considerate ca dipole electrice. Mișcarea termică conduce la o orientare dezordonată a dipolilor (fig.1), deci, pe suprafața dielectricului, precum și în oricare dintre volumele sale care conțin un număr mare de molecule (dreptunghiul umbrit din Figura 86), sarcina electrică este în medie egală cu zero. Puterea câmpului electric în dielectric este de asemenea zero în medie.
Am plasat un dielectric între două plăci metalice paralele care poartă încărcăturile semnului opus. Dacă dimensiunile plăcilor sunt mult mai mari decât distanța dintre ele, câmpul dintre plăci este uniform. Pe partea acestui câmp, două forțe vor acționa asupra fiecărui dipol electric, care sunt aceleași în modul, dar opuse în direcție (figura 2). Acestea vor crea un moment de forță, tinzând să întoarcă dipolul astfel încât axa lui să fie îndreptată de-a lungul liniilor de câmp de forță (Figura 3). În acest caz, încărcăturile pozitive sunt deplasate în direcția câmpului electric, iar încărcăturile negative sunt în direcția opusă.
Deplasarea sarcinilor dielectrice legată pozitiv și negativ în direcții opuse se numește polarizare.
Cu toate acestea, mișcarea termică împiedică crearea unei orientări ordonate a tuturor dipolilor; Numai la o temperatură egală cu zero absolută, toate dipolii se vor alinia de-a lungul liniilor de forță. Astfel, sub influența câmpului, are loc doar o orientare parțială a dipolelor electrice. Aceasta înseamnă că, în medie, numărul de dipoli orientați de-a lungul câmpului este mai mare decât numărul de dipoli orientați spre câmp. Figura 4 arată că plăcile încărcate pozitiv pe suprafața dielectricului sunt încărcări predominant negative ale dipolilor, iar pentru cele încărcate negativ, încărcăturile pozitive. Ca urmare, pe suprafața dielectricului apare o sarcină legată. În interiorul dielectricului, sarcinile pozitive și negative ale dipolilor se anulează reciproc, iar sarcina electrică medie legată este încă zero.
Polarizarea dielectricilor nepolare: un dielectric nepolar într-un câmp electric polarizează și el. Sub acțiunea câmpului, încărcăturile pozitive și negative ale moleculei sunt deplasate în direcții opuse, iar centrele de distribuție ale încărcăturilor pozitive și negative încetează să coincidă, ca și în molecula polară. Astfel de molecule deformate pot fi considerate dipole electrice ale căror axe sunt direcționate de-a lungul câmpului. Încărcările asociate apar pe suprafețele dielectricului adiacent plăcilor încărcate, ca și în polarizarea dielectricului polar.
Permeabilitatea dielectrică.
O sarcină legată creează un câmp electric în dielectric cu o forță care este îndreptată împotriva rezistenței câmpului extern de încărcare pe plăci (figura 5). Din acest motiv, câmpul din interiorul dielectricului este slăbit. Gradul de slăbire a câmpului depinde de proprietățile dielectrice.
Pentru a caracteriza proprietățile electrice ale dielectricilor, se introduce o cantitate specială, numită permitivitate dielectrică.
Condiția dielectrică a unui mediu este o cantitate fizică care arată de câte ori modulul forței câmpului electric în interiorul unui dielectric omogen este mai mic decât valoarea absolută a intensității câmpului în vid.
Denotând permitivitatea prin. vom avea: