Файл: Fizika - V. F. Dmitriyeva.pdf

< о >  < о >  < о > 

о >  < о >  < о > 

< о >  < о > 

Е' 

Рис. 10.17 

Рис. 10.18 

Діелектрична проникність 
деяких речовин 

Речовина 

є 

Вода (чиста) 

81 

Кераміка радіотехнічна 

До 80 

Слюда 

6-8 

Скло 

4-7 

Кварц 

4,5 

Ебоніт 

3 

Бурштин 

2,8 

Парафін 

2,3 

Масло трансформаторне 

2,2 

Повітря 

1,0006 

Для ізотропного діелектрика поляризованість пропорційна напруже-

ності поля всередині нього: 

Р =

 е

0

кЕ,

 (10.22) 

де

 к

 - відносна діелектрична сприйнятливість, яка залежить від, будови 

речовини і температури (величина безрозмірна). Вектор Р напрямленні! 

>ЗД0ВЖ ЗОВНІШНЬОГО

 електричного

 ПОЛЯ

 Е(Ь в жому розмішений діелектрик. 

Внаслідок поляризації на гранях діелектрика виникають заряди, які 

не компенсуються сусідніми диполями. Це призводить до того, що на од-
ній його поверхні виникають позитивні заряди, а на другій - негативні 
(рис. 10.17). Ці електричні заряди називають

 зв 'язаними. 

Зв'язані заряди належать молекулам діелектрика І не можуть бути 

видалені з його поверхні. 

Якщо напруженість зовнішнього поля зростає, то орієнтація електрич-

них моментів диполів ще більше впорядковується. 

Напруженість електричного поля Е\ яке створюється зв'язаними за-

рядами всередині діелектрика, напрямлена протилежно напруженості 
зовнішнього електричного поля Е

0

 (рис. 10.18), яке поляризує діелектрик, 

Напруженість сумарного поля всередині діелектрика Е = Е

0

 +  Е ' . Резуль-

туюча напруженість Е поля залежить від електричних властивостей середо-
вища, вона пропорційна прикладеній до діелектрика напруженості Е

с

 зов-

нішнього поля: 

Е = —. (10.23) 

£ 

Діелектрична проникність

 є = Е

0

 / Е

 середовища показує, у скільки 

разів напруженість поля у вакуумі більша, ніжу діелектрику

. Ця величи-

на безрозмірна. 

280 

§ 100. Електричне зміщення 

Електричне зміщення 

У діелектрику, розміщеному в зовнішньому полі Е

0

, напру-

мчіість поля зменшується. Стрибкоподібна зміна вектора напруженості 

• к-ктричного поля на межі поділу двох середовищ створює певні труд-
нощі для розрахунку полів, тому вводять поняття електричного зміщення 

І) = єє

0

Е. (10.24) 

I лсктричне зміщення - векторна величина, вона не залежить від влас-

ний >стсй середовища; оскільки в (10.24) єЕ =

 Е

0

, то В = 8

0

Е

0

В

0

, тобто 

« ігкгричне зміщення всередині діелектрика збігається з електричним 

іміщенням зовнішнього поля В

0

. 

і означення електричного зміщення випливає, що для поля В, як і для 

попи Е, застосовний принцип суперпозиції полів: 

п 

1=1 

і'іектричне зміщення, яке створюється в певній точці поля системою 

І ісктричних зарядів, дорівнює алгебричній сумі електричних зміщень, які 
. творюються в цій точці кожним із зарядів окремо. 

Лінії електричного зміщення 

Поле В графічно позначають лініями електричного зміщення 

і лк само, як поле Е - лініями напруженості. 

II тії електричного зміщення - це лінії, дотичні до яких у кожній точці 

>ш гаються за напрямом з електричним зміщенням

 В. 

Лінії електричного зміщення проводять так, щоб кількість ліній, які 

проходять

 крізь одиничну площадку, перпендикулярну до них, збігалася 

11 піачснням вектора електричного ЗМІ-

ШПІІІЯ

 в певному місці елект ричного поля. ^ 

і рис. 10.19 видно, що лінії напруженості 

м шлють розриву на межі діелектрик-ваку-

і (рис. 10.19, а), а лінії електричного змі- -н*. 

нісшій будуть неперервними (рис. 10.19,

 б). 

І Іпісрервність ліній електричного змйцен- ІЛ 

ни полегшує обчислення В при заданому ^ 
|ні'пюділі зарядів. Рис. 10.19 

£-5 

^ГІ 

Л 

г=5 

і 

281 

§ 101. П'єзоелектричний ефект 

П'єзоелектричний ефект 

Вивчення властивостей твердих діелектриків показало, що 

деякі з них поляризуються не тільки в електричному полі, а й у процесі 
деформації від механічного впливу на них. 

Явище виникнення зв 'язаних поверхневих електричних зарядів на

 кри 

сталі кварцу під час його деформації назвали п'єзоелектричним ефек 
том

. Якщо кристал діелектрика помістити в електричне поле, то спосте-

рігається зворотний процес - у кристалі виникають пружні напруги, вна-

слідок чого кристал деформується. ІТєзоефект буває в кварці, турмаліні, 
сегнетовій солі, титаніті барію та в інших речовинах. 

Застосування п'єзоелектричних кристалів 

П'єзоелектричні кристали широко застосовують як електро-

механічні перетворювачі: стабілізатори і фільтри радіотехнічних частот, 
п'єзоелектричні манометри, випромінювачі та приймачі ультразвукових 
коливань, п'єзометри, звукознімачі тощо. Основною частиною більшості 
цих приладів є перетворювач, який складається з окремих або об'єднаних 
У

 Г

ру

ІШ

 ц'єзоелементів, виготовлених з відповідних п'єзометричних ма-

теріалів. Залежно від призначення п'єзоелементи можна поєднувати з різ-
ними механічними пристроями: мембранами, резонаторами, рупорами і т. д. 

Залежно від призначення приладу використовують різні види дефор-

мації, а отже, і різні форми п'єзоелементів. Для роботи в області високих 
звукових і ультразвукових частот застосовують п'єзоелементи, виготов 
лені у вигляді пластин, криволінійних оболонок або стрижнів. 

П'єзоелементи у вигляді кілець застосовують як випромінювачі та при-

ймачі в гідроакустиці. Для роботи в області названих звукових частот та-

кож застосовують пластини, причому їх монтують так, щоб вони мали 
коливання згину або кручення. 

§ 102. Провідники в електричному полі 

Провідники в електричному полі 

Залежно від характеру дії на тіла електричного поля їх можна 

поділити на провідники, діелектрики і напівпровідники. Властивості тіл і 
поводження їх в електричному полі визначаються будовою і розміщенням 

282 

чом і в

 у тілах. До складу атомів входять електрично 

мриджсні частинки: позитивні - протони, негативні -

І ісктрони. У нормальному стані атом електрично нейт-
ральний, бо кількість протонів, які входять до складу 

п ірл агома, дорівнює кількості електронів, які оберта-
їй 11,ся навколо ядра і утворюють "електронні оболонки" 
міома. Електрони втримуються в атомі силами елект-

ричного притягання до ядра. Однак у металах внаслідок 
особливостей їх будови в разі зовнішньої взаємодії еле-

і і рони легко можуть бути видалені за межі "свого" 

ігома і вільно переміщуватись доти, доки не захопляться 

чиїм-небудь іншим атомом. Електрони, які втратили зв'язок із своїм 

а і омом, називають

 вільними

. їх рух має хаотичний характер і залежить від 

іемисратури: чим вища температура, тим більша швидкість руху вільних 

• лскгронів. У металевих провідниках концентрація вільних електронів по-
рядку ІО

28

 м~

3

. Рух таких електронів аналогічний тепловому руху частинок 

і і »у, тому сукупність вільних електронів називають

 електронним газом. 

Я кщо металевий провідник розміщений в електричному полі, то на ха-

«> пічний рух електронів накладається упорядкований рух у напрямі, гіро-

і іпіежному напруженості поля. Такий рух електронів називають

 дрейфом. 

і Іл рис. 7.20 зображено провідник, розміщений у зовнішньому однорід-
ному електричному полі Е

0

. Під дією поля електрони переміщуються в 

напрямі поверхні

 АВ.

 Внаслідок цього на поверхні провідника

 АВ

 виникає 

нл/шишковий негативний вільний заряд, на поверхні провідника

 СВ -

илдлишковий позитивний заряд.

 Явище перерозподілу зарядів усередині 

провідника під дією зовнішнього електричного поля називається елект-

ростатичною індукцією. Заряди, які виникають на поверхні провідника, 

шваються наведеними, або індукованими

. Заряди всередині провідника 

перерозподіляються доти, поки напруженість зовнішнього поля не дорів-
нюватиме протилежно напрямленій напруженості Е поля індукованих 

іл рядів. У цьому разі

 |£

0

| -

 \

Е

\ , тобто напруженість результуючого поля 

лорівнює нулю і упорядкований рух зарядів у провіднику припиняється, 

іиПго настає рівновага. Якщо на провіднику заряди перебувають у рівновазі, 
іо потенціал усіх його точок однаковий. Отже, в разі рівноваги зарядів по-

верхня провідника еквіпотенціальна. 

Електростатичний захист 

Якщо провіднику надати деякого заряду то він розподі-

ли гься так, щоб виконувалась умова рівноваги, тобто ніде всередині про-

ні і пика не буде надлишкових зарядів, а всі вони розмістяться на поверхні 

Рис. 10.20 

283 

провідника з деякою густиною а (густиною за-
ряду називають відношення ()І8, де

 8 -

 площа 

поверхні провідника). Надлишковий заряд на 
порожнистому провіднику розподіляється так 
само, як і на суцільному, тобто на його зовніш-
ній поверхні. Цей висновок наочно продемонс-
трував Фарадей, виконавши такий дослід. Якщо 
виготовити замкнений порожнистий провідник 
з дротяної сітки (рис. 10.21) у вигляді клітки 

(клітка Фарадея), закріпити його на ізолюючій 
підставці і підвісити на його внутрішній і зов-

нішній поверхнях паперові смужки, які виконують роль електроскопів, то 
після заряджання клітки за допомогою електрофорної машини відхиля-
ються тільки зовнішні папірці. Це свідчить про те, що електричного поля 
всередині клітки немає. Отже, провідна поверхня надійно захищає ту об-
ласть простору, яку вона оточує, від дії електричного поля. Такі поверхні 

використовують як електростатичний захист. 

§ 103. Електроємність. Конденсатори. 

З'єднання конденсаторів у батарею 

Електроємність 

На досліді було встановлено, що коли форма і розміри відо-

кремленого провідника, а також середовище (наприклад, повітря), в яко-

му він розміщений, не змінюються, то при збільшенні заряду 2 на провід-
нику пропорційно йому збільшується потенціал провідника: 

<2 = Сф. (10.25) 

Коефіцієнт пропорційності С = <2/ф називають

 електроємністю. Елек-

троємність (ємність) провідника або системи провідників є фізичною 
величиною, яка характеризує здатність провідника або системи провід 
ників нагромаджувати електричні заряди. 

У загальному випадку ємність залежить як від середовища, в якому 

розміщений провідник, так і від розміщення навколишніх тіл, але не за-
лежить від значення наданого йому заряду і його потенціалу. 

У Сї одиницею електроємності є

 фарада

 (Ф). 

Фарада - ємність такого провідника, потенціал якого змінюється на 

1 В,

 якщо йому надано заряд в

 1 Кл. Ця одиниця дуже велика. Наприклад, 

ємність такого провідника, як Земля, порядку 7 • 10"

4

 Ф, тому на практиці ви 

користовують дольні одиниці: 1 мкФ =10~

6

 Ф, 1 нФ =10~

9

 Ф, 1 пФ =10"

12

 Ф. 

284