Підручник Фізика 8 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 2 ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ

§ 30 Провідника та діелектрики в електричному полі

Провідники в електричному полі. У § 28 ми з’ясували, що за концентрацією вільних заряджених частинок у речовині всі речовини поділяють на три основні класи: провідники, діелектрики та напівпровідники.

Ви дізнаєтесь

- Як електричне поле взаємодіє із зарядженими частинками металів і діелектриків

Пригадайте

- Які матеріали називають провідниками, а які — діелектриками

У цьому параграфі пояснимо, як електричне поле взаємодіє із зарядженими частинками металів і діелектриків.

Розглянемо поведінку твердих металевих провідників в електричному полі. У металах, як ви вже знаєте, вільними носіями електричного заряду є електрони. Їх називають вільними електронами, або електронами провідності. Вільні електрони беруть участь у тепловому русі й можуть переміщуватися по шматку металу в будь-якому напрямі.

За відсутності зовнішнього електричного поля, негативний заряд електронів металевого провідника компенсується позитивним зарядом ядер його атомів.

Якщо ж провідник внести в електричне поле, то всередині провідника під дією електричного поля виникне впорядкований рух вільних носіїв електричного заряду (мал. 101). Унаслідок такого руху на одному боці провідника утвориться надлишковий негативний заряд, а на іншому — їх нестача, яка приведе до утворення там надлишкового позитивного заряду. Тобто в провіднику відбудеться розподіл

зарядів, хоча в цілому він залишиться незарядженим. І якщо провідник винести з електричного поля, він залишиться електрично нейтральним. Накопичені електричні заряди на протилежних частинах провідника створюють у середині самого провідника власне електричне поле, яке за силовою характеристикою таке саме, як і поле, у якому розташований провідник. Іншими словами, ці два поля компенсують одне одного.

Унаслідок того, що на протилежних поверхнях металевого провідника, уміщеного в електричне поле, концентруються заряджені частинки різних знаків, ми можемо отримати з одного провідника два різнойменно заряджені тіла.

Розглянемо дослід. Візьмемо дві легкі металеві гільзи, виготовлені з металевої фольги, і підвісимо їх на шовкових нитках так, щоб вони торкались одна одної. Розмістимо дві різнойменно заряджені пластини так, щоб гільзи були у просторі між ними. Під впливом електричного поля всередині гільз відбудеться перерозподіл електричного заряду. У результаті на гільзі, розташованій ближче до негативної пластини, утвориться нестача електронів, а на гільзі біля позитивної пластини — надлишок електронів. Роз’єднаємо гільзи, тримаючи їх за нитки. У результаті отримаємо дві гільзи, заряджені різнойменно.

Існують й інші способи отримання заряду на металевих провідниках. Наприклад, метал можна зробити позитивно зарядженим, якщо його освітити відповідним світловим потоком. У результаті взаємодії світла з металом відбувається вивільнення електронів з поверхні металу. Втрачаючи електрони, метал стає позитивно зарядженим.

Мал. 101. Рух вільних електронів у металах під дією електричного поля

Мал. 102. Взаємодія султанів: а — в електричному полі; б — в електричному полі за наявності металевої сітки

Електростатичний захист. Відсутність електричного поля всередині провідника використовується для створення електростатичного захисту.

Розглянемо дослід. Візьмемо два султани, один з яких складається з підставки та прикріплених до неї легких металевих смужок, другий — легких паперових смужок. Помістимо ці султани між двох металевих пластин, які можна зарядити різнойменними зарядами для створення електричного поля між пластинами. За відсутності електричного поля смужки султанів звисають донизу.

Якщо ж зарядити пластини, між ними виникає електричне поле. Смужки султанів електризуються й починають відштовхуватися між собою (мал. 102, а). Якщо ж обгородити султани захисною сіткою, то смужки султанів знову опустяться донизу, так само як і за відсутності електричного поля (мал. 102, б).

Отже, від електричного поля можна захиститися, якщо оточити тіло провідником. На практиці це використовується для захисту від потужного електричного поля, яке може зашкодити здоров’ю людини, а також для запобігання дії електричного поля на чутливі прилади.

Діелектрики в електричному полі. Полярні та неполярні діелектрики. Діелектриками, або ізоляторами, називають речовини, які за певних умов не мають вільних носіїв електричного заряду. Проте, якщо умови змінюються, наприклад, під час нагрівання, у діелектрику можуть виникнути вільні електричні заряди.

Є діелектрики, що складаються з молекул, у яких центри розподілу позитивного й негативного зарядів не збігаються (мал. 103, а). Такі молекули називають диполями, а речовини, яким притаманна така властивість, — полярними діелектриками.

У разі відсутності електричного поля рух таких молекул хаотичний, але обмежений (вільно по всьому об’єму молекули рухатися не можуть) (мал. 103, б).

Якщо полярний діелектрик помістити в електричне поле, то його молекули повертаються своїми позитивно зарядженими частинами до негативно заряджених пластин зовнішнього поля, а негативно зарядженими — до позитивно заряджених пластин (мал. 103, в).

Мал. 103. Внутрішня структура та рух заряджених частинок полярного діелектрика а — молекула-диполь; б — розташування диполів у разі відсутності електричного поля в — орієнтація диполів під дією електричного поля

У результаті на поверхні діелектрика біля позитивної пластини виникає досить тонкий шар негативних зарядів, а біля негативної — позитивних, які й створюють зустрічне поле. (Усередині діелектрика позитивні й негативні заряди сусідніх диполів компенсують дію один одного). Однак, на відміну від провідників, це поле вже не здатне повністю компенсувати зовнішнє, а лише послаблює його в декілька разів. Отже, на відміну від провідників, усередині діелектрика може існувати електричне поле. І якщо такий діелектрик винести з поля, він буде залишатися зарядженим. Проте якщо розділити такий діелектрик на дві частини, то ми не одержимо різнойменно заряджених тіл.

Існують також діелектрики, в яких електрично заряджені частинки не можуть вільно рухатись, і немає диполів. У цих речовинах електрони зв’язані з ядром і рухаються в електронній хмарі (мал. 104, а). Такі діелектрики називаються неполярні.

Якщо неполярний діелектрик помістити в електричне поле, його атоми деформуються, у результаті чого утворюються диполі, які поводять себе так само, як і диполі полярного діелектрика (мал. 104, б).

Мал. 104. Деформація (а) та орієнтація (б) молекул неполярного діелектрика в електричному полі

Підбиваємо підсумки

- Усередині провідника, що перебуває в зовнішньому електричному полі, власне електричне поле відсутнє, а надлишкові заряди розподілені по поверхні.

- На відміну від провідників, усередині діелектриків, що внесені в зовнішнє електричне поле, власне електричне поле може існувати.

Я знаю, вмію й розумію

1. Що відбувається з провідником при вміщенні його в електричне поле?

2. Поясніть, на чому ґрунтується електростатичний захист.

3. Які речовини називають діелектриками? Які бувають види діелектриків?

4. Що відбувається з полярним діелектриком при вміщенні його в електричне поле?

5. Що відбувається з неполярним діелектриком при вміщенні його в електричне поле?

ПОЯСНІТЬ

1. У чому відмінність провідників і діелектриків?

2. Незаряджене металеве тіло внесли в електричне поле наелектризованої кулі (мал. 105, а). Після цього його розділили на дві частини (А і В на мал. 105, б). Як заряджені ці частини?

Мал. 105. До завдання 2

Експериментальні й дослідницькі завдання

1. Запропонуйте досліди, які б дали змогу відрізнити провідник від діелектрика.

2. До незаряджених металевих паличок піднесли заряджені кулі (мал.106). Поясніть, як розподіляться заряди на паличках у кожному з випадків.

3. Заряджена паперова гільза підвішена на шовковій нитці. Якщо наблизити руку до гільзи, вона притягається до руки. Поясніть це явище.

4. На тонких шовкових нитках підвішені дві однакові паперові кульки. Одна — заряджена, друга — незаряджена. Як визначити, яка з кульок заряджена, якщо не можна використовувати ніяких додаткових приладів і матеріалів?

Мал. 106. До завдання 2





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити