Экзаменационные вопросы по физике за курс 10 класса

20) Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Диэлектрическая проницаемость. Механизмы поляризации диэлектриков. Электреты и сегнетоэлектрики. Пьезоэлектрический эффект.

Проводники в электрическом поле

Проводниками электрического тока являются вещества с большой концентрацией свободных носителей зарядов.

Оценим концентрацию свободных электронов в хорошем проводнике (алюминиевом):

Под влиянием внешнего электрического поля в проводнике происходит поляризация зарядов, пока суммарное электрическое поле не обращается в <0>.

Оценить максимальную величину напряженности внешнего поля, при внесении в которое металлической пластинки поле внутри пластинки остается нулевым.

Пусть d = 1 см

Полученный результат говорит о том, что при напряженности полей, которые можно создать реально, внутрь проводника электрическое поле проникать не будет.

Покажем, что в проводнике преобладание заряда того или иного знака возникает только на поверхности. Рассмотрим участок внутри шара, ограниченный воображаемой поверхностью:

Мы знаем, что напряженность внутри проводника равна: , т. к. поле не проникает внутрь. Тогда поток вектора напряженности равен <0>: => весь заряд сосредоточен на поверхности проводника.

Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектрик - вещество, с крайне низкой проводимостью вследствие ничтожно малой концентрации свободных носителей зарядов.

Молекулы в диэлектрике ориентируются таким образом, что создают поле, более слабое, чем внешнее, т. к. молекулы, участвующие в создании поля, - граничные.

Поляризация диэлектриков

Существует три способа механизма поляризации диэлектриков:

1) Электронная поляризация

Под действием электрического поля молекула ориентируется так, что на большом расстоянии её можно рассматривать как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю, противоположных по значению, находящихся на расстоянии l друг от друга. Такую нейтральную в целом систему зарядов называют электрическим диполем.

Электрические свойства диполя характеризуются дипольным моментом - электрическим моментом, равным произведению модуля одного из электрических зарядов на вектор  (от отрицательного к положительному заряду): . Дипольный момент характеризует способность нейтральных тел учувствовать в электромагнитном взаимодействии.

2) Поляризационная

Такая поляризация характерна для полярных молекул. Под действием электрического поля происходит выстраивание молекул по направлению к полю. Такому выстраиванию мешает тепловое движение.

3) Ионная

Рассмотрим поваренную соль в электрическом поле (NaCl):

Фактически NaCl состоит из двух кристаллических решеток: решетки атомов Na⁺ и решетки атомов Cl^-. При попадании в электрическое поле каждая структура движется в соответствии с силовыми линиями: одна - в одну сторону, другая - в другую. Так происходит смещение одной относительно другой. В таком случае на границах одна решетка будет выдвинута дальше => будет больше преобладать какой-то из зарядов => возникает поляризация.

Диэлектрической проницаемостью среды называется отношение напряженности поля, создаваемого внешним источником в вакууме, к напряженности поля этого же источника в среде.

Электреты - диэлектрики, способные длительное время находиться в наэлектризованном состоянии после снятия внешнего воздействия, вызвавшего электризацию (электрические аналоги постоянных магнитов). Получают из восков и смол, полимеров, неорганических диэлектриков (термоэлектреты) или из фотопроводящих диэлектриков (фотоэлектреты). Применяются в качестве источников постоянного электрического поля в технике связи (микрофоны и телефоны), как чувствительные датчики в дозиметрии и так далее.

Сегнетоэлектрики - диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур самопроизвольной (в отсутствие электрического поля) электрической поляризацией, сильно зависящей от внешних условий. Обладают большой диэлектрической проницаемостью. Применяются главным образом как пьезоэлектрические преобразователи в детекторах электромагнитных излучений, а также в различных конденсаторах.

Пьезоэлектрический эффект - возникновение электрической поляризации в веществе в отсутствие электрического поля при упругих деформациях (прямой пьезоэлектрический эффект) и появление механических деформаций под действием электрического поля (обратный пьезоэлектрический эффект). Пьезоэлектрический эффект наблюдается у всех сегнетоэлектриков.

21) Электрический ток в металлах. Основные положения электронной теории проводимости металлов. Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике. Зависимость сопротивления металлов от температуры.

Металлы характеризуются большим числом свободных электронов (~ 1 электрон на 1 атом). Движение каждого электрона является сложным: тепловое движение и направленное движение.