Физика 8 класс. Проводники и диэлектрики. Электрический ток в металлах и электролитах :: Класс!ная физика

Физика 8 класс. ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ

Проводник — это тело, внутри которого содержится достаточное количество свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля.
В проводниках возможно возникновение электрического тока под действием приложенного электрического поля.
Все металлы, растворы солей и кислот, влажная почва, тела людей и животных — хорошие проводники электрических зарядов.

___

Изолятор ( или диэлектрик ) — тело не содержащее внутри свободные электрические заряды.
В изоляторах электрический ток невозможен.
К диэлектрикам можно отнести — стекло, пластик, резину, картон, воздух. тела изготовленные из диэлектриков называют изоляторами.
Абсолютно непроводящая жидкость – дистиллированная, т.е. очищенная вода,
(любая другая вода (водопроводная или морская) содержит какое-то количество примесей и является проводником)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ

В металле всегда существует большое количество свободных электронов.
Электрический ток в металлических проводниках — это упорядоченное движение свободных электронов под действием электрического поля, создаваемого источником тока.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЖИДКОСТЯХ

Электрический ток могут проводить растворы солей и кислот, а также обычная вода ( кроме дистиллированной).
Раствор, способный проводить электрический ток, называется электролитом.
В растворе молекулы растворяемого вещества под действием растворителя превращаются в положительные и отрицательные ионы. Ионы под действием приложенного к раствору электрического поля могут перемещаться: отрицательные ионы — к положительному электроду, положительные ионы – к отрицательному электроду.

В электролите возникает электрический ток.
При прохождении тока через электролит на электродах выделяются чистые вещества, содержавшиеся в растворе. Это явление называется электролизом.
В результате действие электрического тока в электролите происходят необратимые химические изменения, и для дальнейшего поддержания электрического тока его необходимо заменить на новый.

ИНТЕРЕСНО …

В 17 веке после того как Уильям Гильберт установил, что многие тела обладают способностью электризоваться при их натирании, в науке считалось, что все тела по отношению к электризации делятся на два вида: на способные электризоваться при трении, и на тела, не электризующиеся при трении.
Только в первой половине 18 века было установлено, что некоторые тела обладают, кроме того, способностью распространять электричество. Первые опыты в этом направлении были проведены английским физиком Греем. В 1729 г. Грей открыл явление электрической проводимости. Он установил, что электричество способно передаваться от одних тел к другим по металлической проволоке. По шелковой же нити электричество не распространялось. Именно Грей разделил вещества на проводники и непроводники электричества.

Только в 1739г. было окончательно установлено, что все тела следует делить на проводники и диэлектрики.
___

К началу 19 века стало известно, что разряд электрических рыб проходит через металлы, но не проходит через стекло и воздух.

ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ ?

Гальваностегия.

Покрытие предметов слоем металла при помощи электролиза называется гальваностегией. Металлизировать можно не только металлические предметы, но и предметы из дерева, листья растений, кружева, мертвых насекомых. Сначала надо сделать эти предметы жесткими, а для этого подержать их некоторое время в расплавленном воске.
Затем равномерно покрыть слоем графита ( например, потерев карандашным грифелем), чтобы сделать их проводящими и опустить в качестве электрода в гальваническую ванну с электролитом, пропуская через него некоторое время эл.

ток. Через какое-то время на этом электроде выделится металл, содержащийся в растворе, и равномерно покроет предмет.

Археологические раскопки, относящиеся к временам Парфянского царства, позволяют допустить,
что уже две тысячи лет тому назад производилось гальваническое золочение и серебрение изделий!
Об этом говорят и находки, сделанные в гробницах египетских фараонов.

Устали? — Отдыхаем!

Открытая Физика. Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле.

Полное электрическое поле E→ складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля E→0 и внутреннего поля E→’, создаваемого заряженными частицами вещества.

Вещество многообразно по своим электрическим свойствам. Наиболее широкие классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. Типичные проводники – металлы.

В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды (рис. 1.5.1). Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.

Индукционные заряды создают свое собственное поле E→’, которое компенсирует внешнее поле E→0 во всем объеме проводника: E→=E→0+E→’=0 (внутри проводника).

Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.

Электростатическая индукция

Все внутренние области проводника, внесенного в электрическое поле, остаются электронейтральными. Если удалить некоторый объем, выделенный внутри проводника, и образовать пустую полость, то электрическое поле внутри полости будет равно нулю. На этом основана электростатическая защита – чувствительные к электрическому полю приборы для исключения влияния поля помещают в металлические ящики (рис. 1.5.2).

Электростатическая защита. Поле в металлической полости равно нулю

Так как поверхность проводника является эквипотенциальной, силовые линии у поверхности должны быть перпендикулярны к ней.

В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле E→0 в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные нескомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.

Связанные заряды создают электрическое поле E→’, которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности E→0 внешнего поля. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика. В результате полное электрическое поле E→=E→0+E→’ внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше внешнего поля E→0.

Физическая величина, равная отношению модуля напряженности E→0 внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности E→ полного поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества. ε=E0E.

Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная и электронная поляризации. Эти механизмы проявляются главным образом при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.

Ориентационная или дипольная поляризация возникает в случае полярных диэлектриков, состоящих из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи – нейтральную совокупность двух зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Дипольным моментом обладает, например, молекула воды, а также молекулы ряда других диэлектриков (H₂S, NO₂ и т.  д.).

При отсутствии внешнего электрического поля оси молекулярных диполей из-за теплового движения ориентированы хаотично, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем равен нулю.

При внесении диэлектрика во внешнее поле E→0 возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле E→’, направленное навстречу внешнему полю E→0 (рис. 1.5.3).

Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика

Поляризация полярных диэлектриков сильно зависит от температуры, так как тепловое движение молекул играет роль дезориентирующего фактора.

Электронный или упругий механизм проявляется при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не обладают в отсутствие внешнего поля дипольным моментом. Под действием электрического поля молекулы неполярных диэлектриков деформируются – положительные заряды смещаются в направлении вектора E→0, а отрицательные – в противоположном направлении. В результате каждая молекула превращается в электрический диполь, ось которого направлена вдоль внешнего поля. На поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные связанные заряды, создающие свое поле E→’, направленное навстречу внешнему полю E→0. Так происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 1.5.4).

Деформация неполярных молекул под действием внешнего электрического поля не зависит от их теплового движения, поэтому поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры. Примером неполярной молекулы может служить молекула метана CH₄. У этой молекулы четырехкратно ионизированный ион углерода C^4– располагается в центре правильной пирамиды, в вершинах которой находятся ионы водорода H⁺. При наложении внешнего электрического поля ион углерода смещается из центра пирамиды, и у молекулы возникает дипольный момент, пропорциональный внешнему полю.

Поляризация неполярного диэлектрика

Электрическое поле E→’ связанных зарядов, возникающее при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, изменяется по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля E→0. В очень сильных электрических полях эта закономерность может нарушаться, и тогда проявляются различные нелинейные эффекты. В случае полярных диэлектриков в сильных полях может наблюдаться эффект насыщения, когда все молекулярные диполи выстраиваются вдоль силовых линий. В случае неполярных диэлектриков сильное внешнее поле, сравнимое по модулю с внутриатомным полем, может существенно деформировать атомы или молекулы вещества и изменить их электрические свойства. Однако, эти явления практически никогда не наблюдаются, так как для этого нужны поля с напряженностью порядка 10¹⁰–10¹² В/м. Между тем, гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.

У многих неполярных молекул при поляризации деформируются электронные оболочки, поэтому этот механизм получил название электронной поляризации. Этот механизм является универсальным, поскольку деформация электронных оболочек под действием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика.

В случае твердых кристаллических диэлектриков наблюдается так называемая ионная поляризация, при которой ионы разных знаков, составляющие кристаллическую решетку, при наложении внешнего поля смещаются в противоположных направлениях, вследствие чего на гранях кристалла появляются связанные (нескомпенсированные) заряды. Примером такого механизма может служить поляризация кристалла NaCl, в котором ионы Na⁺ и Cl^– составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. В отсутствие внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла NaCl (см. Часть I § 3.6 ) электронейтральна и не обладает дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки смещаются в противоположных направлениях, т. е. кристалл поляризуется.

При поляризации неоднородного диэлектрика связанные заряды могут возникать не только на поверхностях, но и в объеме диэлектрика. В этом случае электрическое поле E→’ связанных зарядов и полное поле E→ могут иметь сложную структуру, зависящую от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле E→ в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем E→0 строго справедливо только в случае однородного диэлектрика, заполняющего все пространство, в котором создано внешнее поле. В частности:

Если в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд Q, то напряженность поля E→, создаваемого этим зарядом в некоторой точке, и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме: E→=14πε0ċQεr3r→,        φ=14πε0Qεr.

Проводники, диэлектрики, полупроводники

     Все вещества состоят из атомов и молекул, имеющих положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны. Атомы и молекулы электрически нейтральны, так как заряд ядра равен суммарному заряду

электронов, окружающих ядро. При наличии внешних факторов (повышение температуры, электрическое поле и т.д.) атом или молекула теряет электрон. Этот атом превращается в положительный ион, а электрон, оторвавшийся от атома, может присоединиться к другому атому, превратив его в отрицательный ион, остаться свободным. Процесс образования ионов называют ионизацией. Количество свободных электронов или ионов в единице объема вещества называется концентрацией заряженных частиц. Таким образом, в веществе, которую поместили в электрическое поле, под действием сил поля возникает процесс движения свободных электронов или ионов в направлении сил поля, назвали электрическим током.

 

     Свойство вещества проводить ток под действием электрического поля называется электропроводностью вещества, которая зависит от концентрации свободных электрически заряженных частиц. Чем больше концентрация заряженных частиц, тем больше электропроводность вещества. Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на:

1 Проводник. Обладают очень большой электропроводностью. Проводники делятся на две группы. К проводникам первой группе относятся металлы (медь, алюминий, серебро и т.д.) и их сплавы, в которых возможно перемещение только электронов. То есть в металлах электроны очень слабо связаны с ядрами атомов и легко от них отделяются. В металлах явление электрического тока связано с движением свободных электронов, которые обладают очень большой подвижностью и находятся в состоянии теплового движения. Эту электропроводность называют электронной. Проводники используются для изготовления проводов, ЛЭП, обмоток электрических машин и т.п.. К проводникам второй группе относятся водные растворы солей, кислот и т.д., которые называют электролитами. Под действием раствора молекулы вещества распадаются на положительные и отрицательные ионы, которые под действием электрического поля начнут перемещаться. Ионы электролита при прохождении тока начнут осаждатися на электродах, опущенных в электролит. Процесс выделения вещества из электролитов электрическим током называется электролизом. Его используют для добычи цветных металлов из растворов их соединений (медь, алюминий), а также для покрытия металлов защитным слоем другого металла (например, хромирование).

2 Диэлектрики (или электроизоляционные вещества). Вещества с очень малой электропроводностью (газы, резиновые вещества, минеральные масла и т. п.). В этих веществах электроны очень сильно связаны с ядрами атомов и под действием электрического поля редко отделяются от ядер. Т.е. диэлектрики не проводят электрический ток. Это их свойство используют при производстве электрозащитных средств: диэлектрические перчатки, обувь, коврики, изолирующие подставки, накладки, колпаки, изоляторы на электрооборудовании и т.п..

Диэлектрики могут быть: твердые, газообразные, жидкости.

 

3 Полупроводниковые (германий, селен, кремний). Это вещества, которые кроме электронной проводимости, имеют «дырочную» проводимость, которая в большой степени зависит от наличия внешних факторов: света, температуры, электрического или магнитного поля. Эти вещества имеют ковалентную связь (- это химическая связь между двумя электронами соседних атомов на одной орбите). Ковалентная связь очень непрочен. При наличии внешнего фактора он разрушается и появляются свободные электроны (электронная проводимость). В момент образования свободного электрона в ковалентной связи появляется свободный город — «электрона дыра» (эквивалентная протона), которая притягивает к себе электрон из соседнего ковалентной связи. Но тогда образуется новая «дыра», которая вновь притягивает к себе электрон из соседнего ковалентной связи и так далее. Т.е. под действием электрического поля перемещаются «дыры» в направлении поля (навстречу электронам) — движение протонов. Таким образом, при электронной проводимости — электрон проходит весь путь, а при «дырочной» — электроны поочередно замещаются по связям, каждый электрон проходит долю пути. При нарушении связей в полупроводниках одновременно возникает одинаковое количество электронов и «дырок». То есть, проводимость состоит из электронной и «дырочной» и называется собственной проводимостью полупроводника. Свойства полупроводников возможно изменить, если в них внести примеси других веществ. Тем самым увеличить ту или иную проводимость. Это используется в промышленной электронике: диоды, транзисторы, тиристоры. Используют, как усилители, выпрямители, электронные генераторы, стабилизаторы и тому подобное. Их преимущества: малая потеря энергии, стоимость, размер и масса, простота эксплуатации, большой срок работы. Недостаток: зависимость проводимости от температуры.

Проводники и диэлектрики в электрическом поле ❤️

1. Проводники в электрическом поле

Напомним, что заряженные частицы, которые могут перемещаться в веществе, называют свободными зарядами.

Если поместить проводник в электрическое поле, то находящиеся в нем свободные заряды придут в движение и в проводнике возникнет направленное движение зарядов, то есть электрический ток. Проводники потому так и называются, что они проводят электрический ток.

Лучшие проводники — металлы. Свободными зарядами в металлах являются свободные электроны. Поскольку электроны имеют отрицательный

электрический заряд, действующая на них со стороны электрического поля сила направлена противоположно напряженности электрического поля.

За направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов. Поэтому в металлах направление электрического тока противоположно направлению движения свободных зарядов — электронов (рис. 52.1).

Внесем, например, металлический шар в однородное электрическое поле (рис. 52.2).

? 1. В каком направлении будут двигаться при этом свободные электроны? Каким будет направление

кратковременного электрического тока?

В результате на одной стороне шара появится избыток электронов, то есть возникнет отрицательный заряд, а на другой его стороне — недостаток электронов, то есть возникнет положительный заряд (рис. 52.3).

? 2. Объясните, почему поле, созданное этими зарядами внутри проводника, направлено противоположно внешнему полю.

Свободные электроны будут двигаться до тех пор, пока на них будет действовать сила со стороны электрического поля.

? 3. Объясните, почему равновесие зарядов в проводнике возможно только при условии, что напряженность электрического поля внутри проводника равна нулю (см. рис. 52.3).

Перераспределение зарядов в проводнике, в результате которого напряженность электрического поля внутри проводника обращается в нуль, называют электростатической индукцией.

При равновесии зарядов напряженность электрического поля внутри проводника равна нулю:

= 0.

Вследствие принципа суперпозиции полей перераспределение зарядов в проводнике изменяет и поле вне проводника. В результате линии напряженности поля вне проводника деформируются.

? 4. Объясните, почему вблизи поверхности проводника линии напряженности электрического поля перпендикулярны поверхности проводника (см. рис. 52.3). Подсказка.

Когда заряды в проводнике находятся в равновесии, на них не действует сила, направленная вдоль поверхности проводника (иначе заряды двигались бы вдоль поверхности проводника).

При равновесии электрических зарядов в проводнике они расположены всегда на поверхности проводника. Причем это справедливо как для незаряженного, так и для заряженного проводника.

Электростатическая защита

При равновесии зарядов напряженность электрического поля равна нулю не только в сплошном изолированном проводнике, но и внутри полого проводника. По этой причине, например, напряженность поля внутри однородно заряженной сферы равна нулю (если внутри сферы нет заряженных тел).

Это свойство проводников в электрическом поле используют для сования электростатической защиты: например, чувствительные к электрическому полю приборы заключат в металлические ящики. Причем я этого не обязательно даже, чтобы стенки ящиков были сплошными: достаточно использовать металлическую сетку, которую называют иногда «сеткой Фарадея» (рис. 52.4).

Электростатическую защиту используют также, чтобы защитить людей, работающих в сильном электрическом поле: в таком случае металлической сеткой окружают пространство, в котором работают люди.

2. Диэлектрики в электрическом поле

Как вы уже знаете, в диэлектриках нет свободных зарядов. Однако это не значит, что в них вообще нет заряженных частиц: ведь в атомах и молекулах диэлектриков, как и любых других веществ, есть положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны.

В диэлектриках все электроны сильно связаны со своими атомами, поэтому их называют «связанными электронами». Но под действием внешнего электрического поля молекулы диэлектриков поворачиваются или изменяют форму (деформируются).

Рассмотрим подробнее, как это происходит в диэлектриках разного вида.

Полярные диэлектрики. В молекулах некоторых веществ центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

Например, в молекуле воды, состоящей из одного атома кислорода и двух атомов водорода, электроны атомов водорода большую часть времени проводят вблизи атома кислорода, в результате чего возле атома кислорода образуется отрицательный полюс, а возле атомов водорода — положительный полюс.

Такие диэлектрики называют полярными, потому что у молекул этих диэлектриков есть два полюса зарядов — положительный и отрицательный (рис. 52.5, а). Под действием электрического поля молекулы полярных диэлектриков поворачиваются (рис.

52.5, б) и ориентируются вдоль линий напряженности поля (рис. 52.5, в).

Неполярные диэлектрики. Диэлектрики, в молекулах которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают, называют неполярными (рис. 52.6, а).

К ним относятся, например, многие газы.

Под действием внешнего электрического поля положительные и отрицательные заряды в молекуле «растаскиваются» в противоположные стороны. В результате центры распределения положительных и отрицательных зарядов перестают совпадать (рис. 52.6, б).

Деформированная молекула с точи зрения распределения зарядов становится подобной полярной молекуле, ориентированной вдоль линий напряженности поля.

Поляризация диэлектриков

Итак, под действием внешнего электрического поля молекулы как полярных, так и неполярных диэлектриков выстраиваются по направлению напряженности внешнего электрического поля.

Это явление называют поляризацией диэлектрика. В результате поляризации диэлектрика на его поверхности появляются заряды. Как мы уже говорили, эти заряды называют связанными, потому что они обусловлены смещением заряда только внутри молекул (а не во всем образце, как это происходит при движении свободных зарядов в проводнике).

На рисунке 52.7 схематически показано, как в результате поляризации диэлектрика на его поверхности появляются связанные заряды.

Мы видим, что положительные и отрицательные заряды, образовавшиеся вследствие поляризации, внутри диэлектрика компенсируют друг друга. А на поверхности диэлектрика такой компенсации нет: поэтому и возникают поверхностные заряды.

Рассмотрим теперь, как изменяется напряженность электрического поля при внесении в него диэлектрика вследствие появления связанных зарядов.

Заметим, что напряженность поля Поляр, созданного связанными зарядами, направлена противоположно напряженности Внеш внешнего электрического поля (см. рис. 52.7).

Поэтому согласно принципу суперпозиции поле, созданное связанными зарядами, уменьшает напряженность поля внутри диэлектрика (однако не до нуля, как в случае проводника).

Таким образом,

Вследствие поляризации диэлектрика напряженность электрического поля внутри диэлектрика уменьшается.

Благодаря поляризации незаряженные диэлектрики притягиваются к заряженному телу независимо от знака его заряда.

Дело в том, что электрическое поле вокруг заряженных тел неоднородно: чем ближе к заряженному телу, тем больше напряженность поля.

Когда незаряженный диэлектрик вносят в электрическое поле, на его поверхности появляются связанные заряды противоположных знаков. В результате на разные части диэлектрика со стороны поля действуют противоположно направленные силы (рис. 52.8).

И в неоднородном поле «побеждает» та сила, которая действует на заряды, находящиеся в более сильном поле, то есть находящиеся ближе к заряженному телу. Поэтому незаряженное тело притягивается к заряженному.

Теперь становится понятным, почему электрическое отталкивание заметили только через две тысячи лет после того, как обнаружили электрическое притяжение.

Ведь чтобы тела притягивались, достаточно, чтобы заряжено было только одно из них, причем зарядом любого знака. А отталкиваются тела лишь тогда, когда они оба заряжены, причем обязательно одноименно.

? 5. В описанном в предыдущем параграфе опыте по визуализации линий напряженности было использовано то, что состоящие из диэлектрика продолговатые тела ориентируются в электрическом поле вдоль линий напряженности. Объясните, почему это происходит.

Диэлектрическая проницаемость

Величину, которая показывает, во сколько раз уменьшатся напряженность внешнего электрического поля внутри однородного диэлектрика, называют его диэлектрической проницаемостью и обозначают ε.

Значения диэлектрической проницаемости для разных веществ могут очень сильно различаться.

Например, для воздуха ε = 1,0006, то есть очень мало отличается от единицы. Очень близка к единице и диэлектрическая проницаемость других газов. Обусловлено это главным образом малой концентрацией молекул в газах.

Значение диэлектрической проницаемости большинства жидкостей и твердых тел — от нескольких единиц до нескольких десятков. Сравнительно велика диэлектрическая проницаемость воды: ε = 81.

Но есть вещества (сегнетоэлектрики), у которых диэлектрическая проницаемость достигает десятков и сотен тысяч.

? 6. Металлическому шару радиусом 10 см сообщили положительный заряд 20 нКл и после этого поместили в большой сосуд с водой. а) Сделайте в тетради схематический рисунок, на котором изобразите заряд шара и связанные заряды, возникшие вследствие поляризации воды. б) Чему будет равна напряженность электрического поля на расстоянии от центра шара, равном 5 см? 15 см?

25 см?

Уменьшение силы взаимодействия заряженных тел, погруженных в диэлектрик. Поскольку взаимодействие заряженных тел осуществляется посредством электрического поля, а поле в диэлектрике уменьшается в ε раз, то в ε раз уменьшается и сила взаимодействия заряженных тел, полностью погруженных в однородный диэлектрик. Например, для очечных зарядов, находящихся в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε, закон Кулона принимает вид

? 7. Чему равна диэлектрическая проницаемость жидкости, если погруженные в нее небольшие шарики с зарядом 30 нКл каждый взаимодействуют с силой 7,8 мкН? Расстояние между шариками равно 20 см.

Увеличение силы взаимодействия заряженных тел, между которыми помещен диэлектрик. Если расположить диэлектрик между заряженными телами, то силы, действующие на каждое заряженное тело, увеличатся.

? 8. Объясните, почему это происходит. Подсказка. Воспользуйтесь рисунком 52.9.

Дополнительные вопросы и задания

9. Два одинаковых заряженных шарика подвешены на нитях равной длины в одной точке, При этом нити отклонены от вертикали на некоторый угол. Когда всю эту систему погрузили в жидкий диэлектрик, угол отклонения нитей не изменился. а) Изобразите на чертеже все силы, действующие на один из шариков до погружения в диэлектрик и после этого. б) Во сколько раз плотность шариков больше плотности диэлектрика, если его диэлектрическая проницаемость равна 3?

10. Как изменится сила взаимодействия двух заряженных тел, если поместить между ними незаряженный проводник, который не касается этих тел?

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Внесение некоторого вещества в электрическое поле может привести к существенному его изменению; это обусловлено тем, что вещество составляют заряженные частицы. Если внешнее поле отсутствует, распределение частиц вещества происходит таким образом, что электрическое поле, которое они создают, в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. Если внешнее поле присутствует, заряженные частицы перераспределяются, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле E→ включает в себя (согласно принципу суперпозиции) внешнее поле E0→ и внутреннее поле E’→ которое создается заряженными частицами вещества.

Электрические свойства веществ обуславливают их многообразие. Самые широкие классы веществ – это проводники и диэлектрики.

Проводники

Отличительная черта проводников заключается в наличии свободных зарядов (электронов), принимающих участие в тепловом движении и способных осуществлять перемещение по всему объему проводника. Типичным примером проводников служат металлы.

Определение 1

Если внешнее поле отсутствует, то в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд будет компенсироваться положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, который внесен в электрическое поле, произойдет перераспределение свободных зарядов, следствием чего будет возникновение на поверхности проводника нескомпенсированных положительных и отрицательных зарядов (рис. 1.5.1). Описанный процесс носит название электростатической индукции, а возникающие на поверхности проводника заряды называют индукционными зарядами.

Индукционными зарядами создается свое собственное поле E’→ и оно компенсирует внешнее поле E0→ во всем объеме проводника: E→=E0→+E’→=0 (внутри проводника).

Определение 2

Полное электростатическое поле внутри проводника есть нуль, а потенциалы во всех точках являются одинаковыми и равными потенциалу на поверхности проводника.

Рисунок 1.5.1. Электростатическая индукция.

Все внутренние области проводника, который внесен в электрическое поле, остаются электронейтральными. Удаление некоторого объема, выделенного внутри проводника, а соответственно образование пустой полости, приведет к тому, что электрическое поле внутри полости станет равным нулю. На этом основана электростатическая защита – приборы, имеющие чувствительность к электрическому полю в целях исключения влияния поля помещают в металлические ящики (рис. 1.5.2).

Рисунок 1.5.2. Схема электростатической защиты. Поле в металлической полости равно нулю.

Поскольку поверхность проводника эквипотенциальна, необходимо, чтобы силовые линии у поверхности являлись перпендикуляром к ней.

Диэлектрики

Диэлектрики (изоляторы) отличаются от проводников тем, что не имеют свободных электрических зарядов. Диэлектрики включают в себя нейтральные атомы или молекулы. Заряженные частицы в нейтральном атоме являются связанными друг с другом и не имеют способности к перемещению под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

Внесение диэлектрика во внешнее электрическое поле E0→ вызовет возникновение в нем некоторого перераспределения зарядов, которые входят в состав атомов или молекул. Следствием этого перераспределения является появление на поверхности диэлектрического образца избыточных нескомпенсированных связанных зарядов. Все заряженные частицы, которые образуют макроскопические связанные заряды, все так же входят в состав своих атомов.

Определение 3

Связанные заряды образуют электрическое поле E’→ направленное внутри диэлектрика противоположно вектору напряженности E0→ внешнего поля: данный процесс носит название поляризации диэлектрика.

Вследствие поляризации полное электрическое поле E→=E0→+E’→=0 внутри диэлектрика становится по модулю меньше внешнего поля E0→.

Определение 4

Диэлектрическая проницаемость вещества – это физическая величина, которая есть отношение модуля напряженности E0→ внешнего электрического поля, создаваемого в вакууме, к модулю напряженности E→ полного поля в однородном диэлектрике.

ε=E0E.

Известно несколько механизмов поляризации диэлектриков: основные — это ориентационная и электронная поляризации. Проявление этих механизмов происходит в основном при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.

Ориентационная или дипольная поляризация появляется, когда полярные диэлектрики состоят из молекул, у которых имеет место несовпадение центов распределения положительных и отрицательных зарядов. Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи.

Определение 5

Микроскопические электрические диполи – это нейтральная совокупность двух зарядов, являющихся равными по модулю и противоположными по знаку, расположенных на расстоянии друг от друга.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

К примеру, дипольный момент имеет молекула воды, а также молекулы некоторых прочих диэлектриков (h3S, NO2 и т. д.).

Когда внешнее электрическое поле отсутствует, оси молекулярных диполей по причине теплового движения имеют хаотичную ориентацию, в связи с чем на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем является равным нулю.

Если внести диэлектрик во внешнее поле E0→, возникнет частичная ориентация молекулярных диполей. Вследствие этого поверхность диэлектрика получит нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле E’→ направленное навстречу внешнему полю E0→ (рис. 1.5.3).

Рисунок 1.5.3. Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика.

Поляризация полярных диэлектриков обладает сильной зависимостью от температуры, поскольку тепловое движение молекул выступает в качестве дезориентирующего фактора.

Электронный или упругий механизм возникает при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не имеют при отсутствии внешнего поля дипольного момента. Электрическое поле, воздействуя на молекулы неполярных диэлектриков, вызывает их деформацию – положительные заряды смещаются в направлении вектора E0→ а отрицательные – в противоположном направлении. В итоге каждая молекула становится электрическим диполем, ось которого имеет направление вдоль внешнего поля. Поверхность диэлектрика получает нескомпенсированные связанные заряды, которые создают свое поле E’→ имеющее направление навстречу внешнему полю E0→ Таким образом происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 1.5.4).

Деформация неполярных молекул, испытывающих влияние внешнего электрического поля, не имеет зависимости от теплового движения, т.е. поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры.

Пример 1

В качестве примера неполярной молекулы можно рассмотреть молекулу метана Ch5, в которой четырехкратно ионизированный ион углерода C4– расположен в центре правильной пирамиды; в вершинах этой пирамиды — ионы водорода H+. Наложение внешнего электрического поля вызовет смещение иона углерода из центра пирамиды: в этом случае у молекулы возникнет дипольный момент, пропорциональный внешнему полю.

Рисунок 1.5.4. Поляризация неполярного диэлектрика.

В электрическом поле E’→ связанных зарядов, которое возникает при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, происходит его изменение по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля E0→. В электрических полях значительной силы указанная закономерность может нарушаться: в таком случае получают проявление различные нелинейные эффекты. Для полярных диэлектриков в сильных полях возможно наблюдать эффект насыщения.

Определение 6

Эффект насыщения – это выстраивание всех молекулярных диполей вдоль силовых линий.

Когда диэлектрики неполярны, сильное внешнее поле, которое можно сравнить по модулю с внутриатомным полем, имеет возможность значимо деформировать атомы или молекулы вещества с изменением их электрических свойств. Но подобные явления почти никогда не наблюдаются, поскольку для этого необходимы поля, имеющие напряженность порядка 1010–1012 В/м. При этом гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.

Определение 7

Электронная поляризация – это процесс поляризации, при котором непарные молекулы получают деформацию электронных оболочек.

Этот механизм универсален, так как деформация электронных оболочек под влиянием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика.

Определение 8

Ионная поляризация – это поляризация твердых кристаллических диэлектриков, следствием которой является смещение ионов различных знаков, составляющих кристаллическую решетку, в противоположных направлениях при воздействии внешнего поля. В результате смещения на гранях кристалла образуются связанные (нескомпенсированные) заряды.

Пример 2

В качестве примера описанного механизма, можно рассмотреть поляризацию кристалла NaCl, в котором ионы Na+ и Cl– составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. При отсутствии внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла NaCl является электронейтральной и не обладающей дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки сместятся в противоположных направлениях, т. е. кристалл подвергнется процессу поляризации.

Когда происходит процесс поляризации неоднородного диэлектрика, связанные заряды могут появиться не только на поверхности, но и в объеме диэлектрика. В таком случае электрическое поле E’→ связанных зарядов и полное поле E→ будут обладать сложной структурой, зависящей от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле _formula_ в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем E→ точно верно лишь, когда речь идет об однородном диэлектрике, который заполняет все пространство, где создано внешнее поле. В частности:

Определение 9

В случае, когда в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд Q, напряженность электрического поля E→ этого точечного заряда и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме. Запишем данное утверждение в виде формул:

E→=14πε0·Qεr3r→, φ=14πε0Qεr.

Электрический ток в проводниках и полупроводниках (Реферат)

В

Владимирский промышленно-коммерческий лицей

Реферат по физике

Тема:

Электрический ток в проводниках и полупроводниках

Выполнил:

Гаранов Павел

11 “Б” класс

г. Владимир, 2000 г.

ладимирский промышленно-коммерческий лицей

Реферат

Тема:

Электрический ток в проводниках и полупроводниках

Выполнил:

Сазанов Сергей

11 “Б” класс

г. Владимир, 2000 г.

Содержание:

Введение	Стр. 3
Электрическая проводимость различных веществ	Стр. 3
Электронная проводимость металлов	Стр. 3
Зависимость сопротивления проводника от температуры	Стр. 5
Сверхпроводимость	Стр. 6
Электроический ток в полупроводниках	Стр. 7
Список литературы	Стр. 9

I.Введение

Слово «ток» означает движение или течение чего-то. Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нем электрическое поле. Чтобы электрический ток в проводнике существовал длительное время, необходимо все это время поддерживать в нем электрическое поле. Электрическое поле в проводниках создается и может длительное время поддерживаться источниками электрического тока. В настоящее время человечество использует четыре основные источника тока: статический, химический, механический и полупроводниковый, но во всяком из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Раздельные частицы накапливаются на полюсах источника тока. Один полюс источника тока заряжается положительно, другой — отрицательно.

II.Электрическая проводимость различных веществ

Наряду с металлами хорошими проводниками, т.е. веществами с большим количеством свободных заряженных частиц, являются водные растворы или расплавы электролитов и ионизированный газ – плазма. Эти проводники также широко используются в технике.

Кроме проводников и диэлектриков, имеется группа веществ, проводимость которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Эти вещества не настолько хорошо проводят электричество, чтобы их назвать проводниками, и не настолько плохо, чтобы их отнести к диэлектрикам. Поэтому они получили название полупроводников.

До недавнего времени полупроводники не играли заметной практической роли. В электротехнике и радиотехнике применяли исключительно различные проводники и диэлектрики. Положение существенно изменилось, можно даже сказать, что в радиотехнике произошла революция, когда сначала теоретически, а затем экспериментально была открыта и изучена легко осуществимая возможность управления электрической проводимостью полупроводников.

Полупроводники применяют в качестве элементов, преобразующих ток в радиоприемниках, вычислительных машинах и т.д.

III.Электронная проводимость металлов

Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Их концентрация велика – порядка 10²⁸ 1/м³. Эти электроны участвуют в беспорядочном тепловом движении. Под действием электрического поля они начинают перемещаться упорядоченно со средней скоростью порядка 10^-4 м/с.

Экспериментальное доказательство существования свободных электронов в металлах.

На катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга. К концам дисков при помощи скользящих контактов присоединяют гальванометр. Катушку приводят в быстрое движение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции, и, следовательно, в катушке возникает электрический ток. Ток существует незначительное время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, образующее ток, прекращается.

Направление тока говорит о том, что он создается движением отрицательно заряженных частиц. Переносимый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе, т.е. . Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за время существования тока в цепи, удалось определить это отношение. Оно оказалось равным Кл/кг. Эта величина совпадает с отношением заряда электрона к его массе , найденным ранее из других опытов.

Движение электронов в металле.

Электроны под влиянием постоянной силы, действующей на них со стороны электрического поля, приобретают определенную скорость упорядоченного движения. Эта скорость не увеличивается в дальнейшем со временем, т.к. со стороны ионов кристаллической решетки на электроны действует некоторая тормозящая сила. Эта сила подобна силе сопротивления, действующей на камень, когда он тонет в воде.

Построить удовлетворительную количественную теорию движения электронов в металле на основе законов классической механики невозможно. Дело в том, что условия движения электронов в металле таковы, что классическая механика Ньютона неприменима для описания этого движения.

Если экспериментально определить среднюю кинетическую энергию теплового движения электронов в металле при комнатной температуре и найти существующую этой энергии температуру по формуле , то получим температуру порядка . Такая температура существует внутри звезд. Движение электронов в металле подчиняется законам квантовой механики.

Экспериментально доказано, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Под действием электрического поля электроны движутся с постоянной средней скоростью из-за торможения со стороны кристаллической решетки. Скорость упорядоченного движения прямо пропорциональна напряженности поля в проводнике.

IV.Зависимость сопротивления проводника от температуры

Если пропустить ток от аккумулятора через стальную спираль, а затем начать нагревать ее в пламени горелки, то амперметр покажет уменьшение силы тока. Это означает, что с изменением температуры сопротивление проводника меняется.

Если при температуре, равной , сопротивление проводника равно , а при температуре оно равно , то относительное изменение сопротивления, как показывает опыт, прямо пропорционально изменению температуры: .

Коэффициент пропорциональности называют температурным коэффициентом сопротивления. Он характеризует зависимость сопротивления вещества от температуры. Температурный коэффициент сопротивления численно равен относительному изменению сопротивления проводника при нагревании на 1 К. Для всех металлических проводников и незначительно меняется с изменением температуры. Если интервал изменения температуры невелик, то температурный коэффициент можно считать постоянным и равным его среднему значению на этом интервале температур. У чистых металлов .

При нагревании проводника его геометрические размеры меняются незначительно. Сопротивление проводника меняется в основном за счет изменения его удельного сопротивления. Можно найти зависимость этого удельного сопротивления от температуры: .

Так как мало меняется при изменении температуры проводника, то можно считать, что удельное сопротивление проводника линейно зависит от температуры (рис. 1).

Х

Рис. 1

отя коэффициент довольно мал, учет зависимости сопротивления от температуры при расчете нагревательных приборов просто необходим. Так, сопротивление вольфрамовой нити лампы накаливания увеличивается при прохождении по ней тока более чем в 10 раз.

У некоторых сплавов, например у сплава меди с никелем, температурный коэффициент сопротивления очень мал:

; удельное сопротивление константана велико: . Такие сплавы используют для изготовления эталонных сопротивлений и добавочных сопротивлений к измерительным приборам, т.е. в тех случаях, когда требуется, чтобы сопротивление заметно не менялось при колебаниях температуры.

Зависимость сопротивления металлов от температуры используют в термометрах сопротивления. Обычно в качестве основного рабочего элемента такого термометра берут платиновую проволоку, зависимость сопротивления которой от температуры хорошо известна. Об изменениях температуры судят по изменению сопротивления проволоки, которое можно измерить. Такие термометры позволяют измерять очень низкие и очень высокие температуры, когда обычные жидкостные термометры непригодны.

Удельное сопротивление металлов растет линейно с увеличением температуры. У растворов электролитов оно уменьшается при увеличении температуры.

V.Сверхпроводимость

В

Рис. 2

1911 г. голландский физик Камерлинг-Оннес открыл замечательное явление – сверхпроводимость. Он обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии ее сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при температуре очень резко падает до нуля (рис. 2). Это явление было названо сверхпроводимостью. Позже было открыто много других сверхпроводников. Сверхпроводимость наблюдается при очень низких температурах – около .

Если в кольцевом проводнике, находящемся в сверхпроводящем состоянии, создать ток, а затем устранить источник электрического тока, то сила этого тока не меняется сколь угодно долго. В обычном же не сверхпроводящем проводнике электрический ток прекращается.

Сверхпроводники находят широкое применение. Так, сооружают мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой, которые создают магнитное поле на протяжении длительных интервалов времени без затрат энергии. Ведь выделения теплоты в сверхпроводящей обмотке не происходит.

Однако получить сколь угодно сильное магнитное поле с помощью сверхпроводящего магнита нельзя. Очень сильное магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Такое поле может быть создано током в самом сверхпроводнике. Поэтому для каждого проводника в сверхпроводящем состоянии существует критическое значение силы тока, превзойти которое, не нарушая этого состояния, нельзя.

Если бы удалось создать сверхпроводящие материалы при температурах, близких к комнатным, то была бы решена проблема передачи энергии по проводам без потерь. В настоящее время физики работают над ее решением.

Многие металлы и сплавы при температурах ниже полностью теряют сопротивление, т.е. становятся сверхпроводниками. Недавно была открыта высокотемпературная сверхпроводимость.

VI.Электрический ток в полупроводниках

Н

Рис. 3

аиболее отчетливо полупроводники отличаются от проводников характеров зависимости электропроводимости от температуры. Измерения показывают, что у ряда элементов (кремний, германий, селен и др.) и соединений (PbS, CdS и др.) удельное сопротивление с увеличением температуры не растет, как у металлов, а, наоборот, чрезвычайно резко уменьшается (рис. 3). Такие вещества и называют полупроводниками.

Строение полупроводников.

Для того чтобы включить транзисторный приемник, знать ничего не надо. Но чтобы его создать, надо было знать очень много и обладать незаурядным талантом. Понять же в общих чертах, как работает транзистор, не так уж и трудно. Сначала надо познакомиться с механизмом проводимости в полупроводниках. А для этого придется вникнуть в природу связей, удерживающих атомы полупроводникового кристалла друг возле друга. Для примера рассмотрим кристалл кремния.

Кремний – четырехвалентный элемент. Это означает, что во внешней оболочке атома имеются четыре электрона, сравнительно слабо связанные с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно четырем. Плоская схема структуры кристалла кремния изображена на рисунке 4.

Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью парноэлектронной связи, называемой ковалентной связью. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, которые отщепляют от атомов (коллективизируются кристаллом) и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы кремния друг возле друга.

Парноэлектронные связи кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому кремний при низкой температуре не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к электрической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметное влияние на их движение. Аналогичное строение имеет кристалл германия.

Э
лектронная проводимость.

При нагревании кремния кинетическая энергия валентных электронов повышается, и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои «проторенные пути» и становятся свободными, подобно электронам в металле. В электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя электрический ток (рис. 5).

Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью. При повышении температуры число разорванных связей, а значит, и свободных электронов увеличивается. При нагревании от 300 до 700К число свободных электронов увеличивается от 10¹⁷ до 10²⁴ 1/м³. Это приводит к уменьшению сопротивления.

Дырочная проводимость.

При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой. В дырке имеются избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями.

Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь, а там, откуда перескочил этот электрон, образуется новая дырка. Таким образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.

Итак, в полупроводниках имеются носители заряда двух типов: электроны и дырки. Поэтому полупроводники обладают не только электронной, но и дырочной проводимостью.

Мы рассмотрели механизм проводимости идеальных полупроводников. Проводимость при этих условиях называют собственной проводимостью полупроводников.

Проводимость чистых полупроводников (собственная проводимость) осуществляется перемещением свободных электронов (электронная проводимость) и перемещением связанных электронов на вакантные места парноэлектронных связей (дырочная проводимость).

Список литературы

1. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев: «Физика 10 кл.», Просвещение, М. 1990 г.

Проводники и изоляторы — Технарь

Среди обычных веществ, встречающихся на практике, существуют два вида материалов, о которых стоит здесь упомянуть и которые резко различаются между собой по своему отношению к электрическим зарядам. Известно, что, расхаживая дома по ковру в сухой зимний день, мы накапливаем на своем теле заряды, в результате чего, приветствуя приятеля, мы иногда испытываем довольно неприятный удар в руку. Этого не случится, если день будет жаркий и сырой. В зимний день воздух сухой и является, как мы говорим, изолятором, так что накопленные при хождении по ковру заряды остаются на теле. В сырой же день воздух уже не является изолятором (он становится проводником), и накопленные заряды стекают с тела.

Слова «изолятор» и «проводник» характеризуют различные материалы; изоляторы, например, стекло, — это такие материалы, которые препятствуют свободному перемещению зарядов, в проводниках же, например, в металлах, заряды могут передвигаться свободно. Такая классификация, видимо, устарела: не все существующие материалы укладываются в эту схему. В настоящее время известны материалы с самыми различными свойствами, начиная от почти идеальных изоляторов (такие кристаллы, как алмаз), затем — полупроводников и кончая материалами, которые можно назвать идеальными проводниками (металлы при очень низких температурах). Большинство обычных металлов — хорошие проводники, поэтому их и используют для изготовления проводов. Стекло, ткань и пластмассы очень хорошие изоляторы: вот почему медные провода, по которым идет ток, изолируют пластмассой или тканью.

Изолятор характеризуется тем, что, если на него поместить заряд, последний никуда не денется. В проводнике же заряд может свободно перемещаться, поэтому, как только на него подействует какая-нибудь сила, он перераспределится. Причина многих неудач, с которыми столкнулись первые исследователи электричества, например, Грей (заряд иногда сохранялся, а иногда исчезал), состояла в том, что эти исследователи не знали тогда (первым это обнаружил Грей), что некоторые материалы, из которых изготовлялись подставки для заряженных тел, были проводниками электричества — именно по ним и стекали заряды.

Стоит лишь немного разобраться в природе электрических сил, как оказывается, что изучать их значительно проще, чем гравитационное силы. Научившись скапливать и сохранять заряды на поверхности проводника или изолятора и воспользовавшись тем, что силы, действующие между зарядами, очень велики, мы можем изучать действие этих сил на другие тела непосредственно в лаборатории. В случае же гравитационных сил приходится исследовать взаимодействие между огромными телами, подобными Земле.

18.2: Проводники и изоляторы — Physics LibreTexts

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определите проводник и изолятор, объясните разницу и приведите примеры каждого из них.
• Опишите три метода зарядки объекта.
• Объясните, что происходит с электрической силой, когда вы удаляетесь от источника.
• Определите поляризацию.

Некоторые вещества, такие как металлы и соленая вода, позволяют зарядам относительно легко проходить через них.Некоторые электроны в металлах и подобных проводниках не связаны с отдельными атомами или участками в материале. Эти свободных электронов могут двигаться сквозь материал так же, как воздух движется через рыхлый песок. Любое вещество, которое имеет свободные электроны и позволяет заряду относительно свободно перемещаться по нему, называется проводником . Движущиеся электроны могут сталкиваться с неподвижными атомами и молекулами, теряя некоторую энергию, но они могут двигаться в проводнике. Сверхпроводники позволяют заряду перемещаться без потери энергии.Соленая вода и другие подобные проводящие материалы содержат свободные ионы, которые могут перемещаться через них. Ион — это атом или молекула с положительным или отрицательным (отличным от нуля) полным зарядом. Другими словами, общее количество электронов не равно общему количеству протонов.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \). В этом адаптере питания используются металлические провода и разъемы для передачи электричества от настенной розетки к портативному компьютеру. Проводящие провода позволяют электронам свободно перемещаться по кабелям, которые защищены резиной и пластиком.{23} \) раз медленнее, чем в проводниках. Например, чистая вода и сухая поваренная соль являются изоляторами, а расплавленная соль и соленая вода — проводниками.

Зарядка по контакту

На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) показан электроскоп, который заряжается при прикосновении к нему положительно заряженным стеклянным стержнем. Поскольку стеклянный стержень является изолятором, он должен фактически касаться электроскопа, чтобы передавать заряд на него или от него. (Обратите внимание, что дополнительные положительные заряды остаются на поверхности стеклянного стержня в результате протирания его шелком перед началом эксперимента.) Поскольку в металлах движутся только электроны, мы видим, что они притягиваются к верхней части электроскопа. Там некоторые из них переносятся на положительный стержень на ощупь, оставляя электроскоп с чистым положительным зарядом.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Электроскоп — излюбленный инструмент на демонстрациях физики и в студенческих лабораториях. Обычно он изготавливается из листьев золотой фольги, подвешенных к (проводящему) металлическому стержню, и изолирован от воздуха в помещении в контейнере со стеклянными стенками. (а) Положительно заряженный стеклянный стержень подносят к кончику электроскопа, притягивая электроны к вершине и оставляя чистый положительный заряд на листьях.Словно заряды в легких гибких золотых листах отталкиваются, разделяя их. (b) Когда стержень касается шара, электроны притягиваются и переносятся, уменьшая общий заряд стеклянного стержня, но оставляя электроскоп заряженным положительно. (c) Избыточные заряды равномерно распределяются в стержне и листьях электроскопа после удаления стеклянного стержня.

Электростатическое отталкивание в листах заряженного электроскопа разделяет их. Электростатическая сила имеет горизонтальную составляющую, которая приводит к раздвижению листьев, а также вертикальную составляющую, которая уравновешивается гравитационной силой.Точно так же электроскоп может получить отрицательный заряд при контакте с отрицательно заряженным объектом.

Индукционная зарядка

Необязательно переносить излишек заряда непосредственно на объект, чтобы зарядить его. На рисунке \ (\ PageIndex {3} \) показан метод индукции, при котором заряд создается в соседнем объекте без прямого контакта. Здесь мы видим две нейтральные металлические сферы, контактирующие друг с другом, но изолированные от остального мира. Положительно заряженный стержень приближается к одному из них, притягивая отрицательный заряд к этой стороне, оставляя другую сферу заряженной положительно.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Индукционная зарядка. (а) Две незаряженные или нейтральные металлические сферы контактируют друг с другом, но изолированы от остального мира. (b) Положительно заряженный стеклянный стержень приближается к сфере слева, притягивая отрицательный заряд и оставляя другую сферу заряженной положительно. (c) Сферы разделяются перед удалением стержня, таким образом разделяя отрицательный и положительный заряд. (d) Сферы сохраняют чистые заряды после удаления индукционного стержня — даже при отсутствии прикосновения к заряженному объекту.

Это пример наведенной поляризации нейтральных объектов. Поляризация — это разделение зарядов в объекте, который остается нейтральным. Если сферы теперь разделены (до того, как стержень вытащен), каждая сфера будет иметь чистый заряд. Обратите внимание, что объект, ближайший к заряженному стержню, получает противоположный заряд при индукционной зарядке. Также обратите внимание, что заряд не удаляется с заряженного стержня, так что этот процесс можно повторить без истощения запаса избыточного заряда.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Индукционная зарядка с заземлением.(а) Положительно заряженный стержень приближается к нейтральной металлической сфере, поляризуя ее. (б) Сфера заземлена, что позволяет электронам притягиваться из достаточного количества источников земли. (c) Разрыв заземления. (d) Положительный стержень удаляется, оставляя сферу с индуцированным отрицательным зарядом.

Другой метод индукционной зарядки показан на рисунке \ (\ PageIndex {4} \). Нейтральный металлический шар поляризуется, когда к нему подносят заряженный стержень. Затем сфера заземляется, что означает, что от сферы к земле проложен проводящий провод.Поскольку земля большая и большая часть земли является хорошим проводником, она может легко подавать или принимать избыточный заряд. В этом случае электроны притягиваются к сфере через провод, называемый заземляющим проводом, потому что он обеспечивает проводящий путь к земле. Заземление разрывается перед удалением заряженного стержня, в результате чего в сфере остается избыточный заряд, противоположный заряду стержня. Опять же, при индукционной зарядке достигается противоположный заряд, и заряженный стержень не теряет своего избыточного заряда.

Нейтральные объекты могут быть привлечены к любому заряженному объекту. Кусочки соломы, притянутые к полированному янтарю, например, нейтральны. Если провести по волосам пластиковой расческой, заряженная расческа соберет нейтральные кусочки бумаги. На рисунке \ (\ PageIndex {5} \) показано, как поляризация атомов и молекул в нейтральных объектах приводит к их притяжению к заряженному объекту.

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): как положительные, так и отрицательные объекты притягивают нейтральный объект, поляризуя его молекулы.(а) Положительный объект, поднесенный к нейтральному изолятору, поляризует его молекулы. Наблюдается небольшой сдвиг в распределении электронов, вращающихся вокруг молекулы: разнородные заряды приближаются, а одинаковые — удаляются. Поскольку электростатическая сила уменьшается с расстоянием, возникает чистое притяжение. (б) Отрицательный объект производит противоположную поляризацию, но снова притягивает нейтральный объект. c) такой же эффект наблюдается и с проводником; поскольку разноименные заряды ближе, возникает чистое притяжение.

Когда заряженный стержень приближается к нейтральному веществу, в данном случае изолятору, распределение заряда в атомах и молекулах немного смещается. Противоположный заряд притягивается к внешнему заряженному стержню, в то время как аналогичный заряд отталкивается. Поскольку электростатическая сила уменьшается с расстоянием, отталкивание одинаковых зарядов слабее, чем притяжение разнородных зарядов, и поэтому возникает чистое притяжение. Таким образом, положительно заряженный стеклянный стержень притягивает нейтральные кусочки бумаги, как и отрицательно заряженный резиновый стержень.Некоторые молекулы, например вода, являются полярными молекулами. Полярные молекулы обладают естественным или внутренним разделением зарядов, хотя в целом они нейтральны. На полярные молекулы особенно влияют другие заряженные объекты, и они демонстрируют больший эффект поляризации, чем молекулы с естественным однородным распределением заряда.

Проверьте свое понимание

Можете ли вы объяснить притяжение воды к заряженному стержню на рисунке ниже?

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \).

Решение

Молекулы воды поляризованы, что дает им слегка положительные и слегка отрицательные стороны.Это делает воду еще более восприимчивой к притяжению заряженного стержня. Когда вода течет вниз, из-за силы тяжести заряженный проводник оказывает чистое притяжение к противоположным зарядам в потоке воды, притягивая его ближе.

ФЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ: ДЖОН ТРАВОЛЬТАЖ

Заставьте искры летать с Джоном Травольтэджем. Шевелите ногой Джонни, и он поднимает заряд с ковра. Поднесите руку к дверной ручке и избавьтесь от лишнего заряда.

Сводка

• Поляризация — это разделение положительных и отрицательных зарядов в нейтральном объекте.
• Проводник — это вещество, которое позволяет заряду свободно проходить через его атомную структуру.
• Изолятор удерживает заряд в своей атомной структуре.
• Объекты с одинаковыми зарядами отталкиваются друг от друга, а объекты с разными зарядами притягиваются друг к другу.
• Проводящий объект называется заземленным, если он соединен с землей посредством проводника. Заземление позволяет передавать заряд в большой резервуар земли и из него.
• Объекты можно заряжать, соприкасаясь с другим заряженным объектом, и получить такой же заряд знака.
• Если объект временно заземлен, он может заряжаться индукцией и приобретает заряд противоположного знака.
• У поляризованных объектов положительный и отрицательный заряды сосредоточены в разных областях, что придает им несимметричный заряд.
• Полярным молекулам присуще разделение зарядов.

Глоссарий

свободный электрон

электрон, который может свободно уходить со своей атомной орбиты

проводник

материал, который позволяет электронам двигаться отдельно от их атомных орбит

изолятор

материал, который надежно удерживает электроны на их атомных орбитах

с заземлением

, когда проводник подключен к Земле, что позволяет заряду свободно течь в и из неограниченного резервуара Земли

индукционный

процесс, при котором электрически заряженный объект, поднесенный к нейтральному объекту, создает заряд в этом объекте.

поляризация

Небольшое смещение положительных и отрицательных зарядов в противоположные стороны от атома или молекулы

электростатическое отталкивание

Явление двух объектов с одинаковыми зарядами, отталкивающих друг друга

Авторы и авторство

Пол Питер Урон (почетный профессор Калифорнийского государственного университета, Сакраменто) и Роджер Хинрикс (Государственный университет Нью-Йорка, колледж в Освего) с авторами: Ким Диркс (Оклендский университет) и Манджула Шарма (Сиднейский университет).Эта работа лицензирована OpenStax University Physics в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License (4.0).

DK Science: Conductors

Проводник — это материал, который позволяет электрическому заряду проходить через него как электрический ток. Обычно заряд переносится электронами, а проводником является металл. Металлы являются хорошими проводниками, потому что внешние электроны их атомов слабо прикреплены, и электроны могут дрейфовать через металл при приложении напряжения.В некоторых материалах все электроны прочно закреплены на месте, поэтому они плохо проводят электричество. Такой материал называется ИЗОЛЯТОР.

Обычно свободные электроны в проводнике вращаются во всех направлениях. Однако при приложении напряжения они движутся больше к положительному выводу, чем в любом другом направлении.

Некоторые материалы, называемые сверхпроводниками, вообще не имеют сопротивления протеканию тока. Электроны движутся через них более организованно, чем в обычных проводниках.Они хороши для таких работ, как создание огромных электромагнитов для медицинских сканеров, но есть проблема. Они работают, только если их держать очень, очень холодными. Самая высокая температура, которую может выдержать даже самый продвинутый сверхпроводник, составляет? 135 ° C (? 211F).

БИОГРАФИЯ: ГЕОРГ ОМ Герман, 1789–1854

Ом открыл закон, управляющий током, протекающим по проводникам. Он обнаружил, что удвоение напряжения между концами провода удваивает ток через него, а удвоение длины провода уменьшает ток вдвое.У провода было сопротивление, пропорциональное его длине, а ток представлял собой напряжение, деленное на это сопротивление. Закон Ома появился в 1827 году.

Изоляторы проводят электричество плохо или совсем не проводят. Их электроны прочно связаны и будут двигаться только при приложении очень высокого напряжения. Изоляторы необходимы в электротехнике, останавливая ток там, где этого не должно быть. Наиболее распространенные материалы, кроме металлов, являются изоляторами, но не все подходят для электротехники.Первыми изоляторами на практике были воздух, керамика, стекло и резина. Все они до сих пор используются, но большинство изоляторов сегодня — пластмассовые.

Некоторым изоляторам приходится работать в экстремальных условиях. Эти изоляторы электропитания должны выдерживать напряжение 440 000 В (440 кВ или киловольт) и предотвращать протекание тока от силовых кабелей на землю даже во время ливня. Они также должны принимать на себя вес кабелей. Пластик не годится для такой работы, но это гораздо более древний материал? керамика? с легкостью выдерживает нагрузку.

Проводников — Видео по физике от Brightstorm

Так что такое проводники? Проводник — это материал, который позволяет заряду свободно проходить через него. Под зарядом я действительно имею в виду электроны. Итак, большинство этих проводников — металлы. Так что же происходит с металлами, которые позволяют заряду свободно проходить через них? Что ж, большинство металлов выглядят так. У нас здесь ядра. Каждое ядро ​​имеет связку электронов, связанных с ним.

Итак, с проводниками с металлами, у нас есть некоторые из них, в которых электроны удерживаются очень близко к ядру.Итак, этот синий, мы знаем, какой электрон принадлежит какому ядру. Но затем у нас есть что-то, называемое зоной проводимости, где электроны могут перемещаться от одного ядра к другому, к следующему, к следующему, и это нормально. Таким образом, именно эта зона проводимости позволяет металлам проводить электричество. Хорошо. Как мы охарактеризуем этот поток электричества? Как мы можем охарактеризовать качество проводника того или иного металла?

Итак, у нас есть уравнение, которое говорит нам, что j, j измеряет расход заряда, равен сигма, умноженному на e.Сигма называется проводимостью и характеризует металл, о котором мы говорим, а е — электрическое поле, которое мы прикладываем. Нам нужно приложить электрическое поле, потому что у зарядов нет причин двигаться, если электрическое поле не пытается их подтолкнуть. Итак, эта сигма сообщает нам реакцию заряда внутри металла на приложенное электрическое поле. Для большинства хороших металлов у нас есть сигма, проводимость порядка 10-8, 100 миллионов в единицах СИ. Сейчас я не собираюсь говорить о том, что это за единицы, потому что для этого нам нужно немного больше, но, чтобы вы знали, это довольно большое количество для хороших проводников.

Хорошо. Теперь электрическое поле заставляет заряд течь. Итак, если я приложу электрическое поле к проводнику, заряд будет течь. Теперь, когда этот заряд течет, если электрическое поле не исчезает, оно будет продолжать течь и течь, течь и течь. Итак, если у меня есть пластина хорошего проводника, и я приложу к ней электрическое поле, тогда заряды будут двигаться, пока не исчезнет электрическое поле. Это означает, что если это хороший проводник, то электрическое поле внутри него можно считать нулем.Хорошо.

Давайте немного разберемся, что это значит. Итак, электрическое поле внутри равно нулю, а это значит, что все заряды внутри никуда не денутся. Они просто сидят там. Нет электрического поля. Так почему они собираются куда-то идти? Это означает, что вся поверхность проводника находится под одним и тем же потенциалом, потому что если бы была разность потенциалов, если бы здесь был более высокий потенциал, чем здесь, то электроны двигались бы. Но это означало бы, что должно быть электрическое поле.Нет электрического поля. Это означает, что поверхность хорошего проводника является эквипотенциальной областью. Equi, что означает равный и потенциальный, означает потенциал. Хорошо.

Итак, когда у меня эквипотенциальная поверхность, электрическое поле должно быть перпендикулярно этой поверхности. Итак, если у меня прямо здесь есть проводник, и ко мне приходит электрическое поле, что ж, он должен останавливаться на отрицательных зарядах, потому что на этом прекращаются электрические поля. Итак, он должен быть перпендикулярным, поэтому я собираюсь нарисовать свои линии электрического поля так, чтобы они касались поверхности проводника перпендикулярно, и это дает нам эту красивую маленькую диаграмму.Внутри нет электрического поля, и потому, что на этой стороне есть отрицательный заряд, на этой стороне должен быть положительный заряд, иначе проводник будет заряжен. Теперь я не хочу, чтобы проводник заряжался, я хочу, чтобы у него был нулевой чистый заряд. Итак, что происходит, эти положительные заряды здесь генерируют силовые линии электрического поля, снова перпендикулярные поверхности, так что если бы я убрал проводник, то силовые линии электрического поля просто прошли бы прямо поперек. Как это.

Теперь вам может быть интересно, почему электрическое поле внутри равно нулю.Вот идея. Когда у нас есть эти положительные и отрицательные заряды, электрическое поле, связанное с этими положительными зарядами, будет продвигаться к отрицательным зарядам. И что это значит, так это то, что он нейтрализует электрическое поле извне. Итак, эти два, вклад обоих этих электрических полей сокращается, и мы получаем ноль внутри, когда мы берем все электрическое поле. И это вообще то, как это работает. Когда вы прикладываете электрическое поле к проводнику, положительные заряды будут двигаться дальше по потоку от этого электрического поля, а затем они генерируют свое собственное электрическое поле, которое противостоит электрическому полю, которое я сначала приложил к проводнику.

Хорошо. Теперь давайте посмотрим на немного другую ситуацию. Предположим, у меня есть такой проводник с острым концом. Опять же, это дирижер. А это значит, что силовые линии электрического поля должны заканчиваться перпендикулярно проводнику. Теперь вот здесь, все в порядке, хорошо распределите обвинения. Но посмотрим, что происходит в острой точке. У меня есть силовые линии электрического поля, которые должны выходить очень странным образом. Это означает, что у меня здесь подопечное собрание. Так что заряд накапливается в острых точках.Возможно, вы знакомы с этим из генераторов Вандеграфа, когда вы касаетесь верха, а затем волосы людей поднимаются вверх. Это потому, что люди ведут себя как проводники, а затем, когда вы берете на себя весь этот заряд, этот заряд собирается собираться в острых местах. Ну а где самые острые точки на теле человека? В волосах. Вот как это работает, и вот почему у вас есть волосы, которые выделяются, когда вы касаетесь генератора Vandegraff.

Это кондукторы.

Краткое содержание

— Гипертекст по физике

• … закон Гаусса
• проводников
• конденсаторов…

Гипертекст по физике
© 1998–2021 Гленн Элерт
Автор, иллюстратор, веб-мастер

Нет постоянных условий.

1. Механика
   1. Кинематика
      1. Движение
      2. Расстояние и перемещение
      3. Скорость и скорость
      4. Разгон
      5. Уравнения движения
      6. Свободное падение
      7. Графики движения
      8. Кинематика и расчет
      9. Кинематика в двух измерениях
      10. Снарядов
      11. Параметрические уравнения
   2. Динамика I: Сила
      1. Силы
      2. Сила и масса
      3. Действие-реакция
      4. Масса
      5. Динамика
      6. Статика
      7. Трение
      8. Силы в двух измерениях
      9. Центростремительная сила
      10. Кадры справки
   3. Энергия
      1. Работа
      2. Энергия
      3. Кинетическая энергия
      4. Потенциальная энергия
      5. Сохранение энергии
      6. Мощность
      7. Простые машины
   4. Dynamics II: Импульс
      1. Импульс и импульс
      2. Сохранение импульса
      3. Импульс и энергия
      4. Импульс в двух измерениях
   5. Вращательное движение
      1. Кинематика вращения
      2. Инерция вращения
      3. Вращательная динамика
      4. Статика вращения
      5. Угловой момент
      6. Энергия вращения
      7. Прокатный
      8. Вращение в двух измерениях
      9. Сила Кориолиса
   6. Планетарное движение
      1. Геоцентризм
      2. Гелиоцентризм
      3. Вселенская гравитация
      4. Орбитальная механика I
      5. Гравитационная потенциальная энергия
      6. Орбитальная механика II
      7. Плотность вытянутых тел
   7. Периодическое движение
      1. Пружины
      2. Генератор простых гармоник
      3. Маятники
      4. Резонанс
      5. Эластичность
   8. Жидкости
      1. Плотность
      2. Давление
      3. Плавучесть
      4. Расход жидкости
      5. Вязкость
      6. Аэродинамическое сопротивление
      7. Режимы потока
2. Теплофизика
   1. Тепло и температура
      1. Температура
      2. Тепловое расширение
      3. Атомная природа вещества
      4. Закон о газе
      5. Кинетико-молекулярная теория
      6. Фазы
   2. Калориметрия
      1. Явное тепло
      2. Скрытое тепло
      3. Химическая потенциальная энергия
   3. Теплопередача
      1. Проводимость
      2. Конвекция
      3. Радиация
   4. Термодинамика
      1. Тепло и работа
      2. Диаграммы давление-объем
      3. Двигатели
      4. Холодильники
      5. Энергия и энтропия
      6. Абсолютный ноль
3. Волны и оптика
   1. Волновые явления
      1. Природа волн
      2. Периодические волны
      3. Интерференция и суперпозиция
      4. Интерфейсы и барьеры
   2. Звук
      1. Природа звука
      2. Интенсивность
      3. Эффект Доплера (звук)
      4. Ударные волны
      5. Дифракция и интерференция (звук)
      6. Стоячие волны
      7. ударов
      8. Музыка и шум
   3. Физическая оптика
      1. Природа света
      2. Поляризация
      3. Эффект Доплера (световой)
      4. Черенковское излучение
      5. Дифракция и интерференция (свет)
      6. Тонкопленочная интерференция
      7. Цвет
   4. Геометрическая оптика
      1. Отражение
      2. Преломление
      3. Зеркала сферические
      4. Сферические линзы
      5. Аберрация
4. Электричество и магнетизм
   1. Электростатика
      1. Электрический заряд
      2. Закон Кулона
      3. Электрическое поле
      4. Электрический потенциал
      5. Закон Гаусса
      6. Проводников
   2. Электростатические приложения
      1. Конденсаторы
      2. Диэлектрики
      3. Батареи
   3. Электрический ток
      1. Электрический ток
      2. Электрическое сопротивление
      3. Электроэнергия
   4. цепей постоянного тока
      1. Резисторы в цепях
      2. Батареи в цепях
      3. Конденсаторы в цепях
      4. Правила Кирхгофа
   5. Магнитостатика
      1. Магнетизм
      2. Электромагнетизм
      3. Закон Ампера
      4. Электромагнитная сила
   6. Магнитодинамика
      1. Электромагнитная индукция
      2. Закон Фарадея
      3. Закон Ленца
      4. Индуктивность
   7. цепей переменного тока
      1. Переменный ток
      2. RC цепи
      3. Цепи РЛ
      4. Цепи LC
   8. Электромагнитные волны
      1. Уравнения Максвелла
      2. Электромагнитные волны
      3. Электромагнитный спектр
5. Современная физика
   1. Теория относительности
      1. Пространство-время
      2. Масса-энергия
      3. Общая теория относительности
   2. Quanta
      1. Излучение черного тела
      2. Фотоэффект
      3. Рентгеновские снимки
      4. Антиматерия
   3. Волновая механика
      1. Волны материи
      2. Атомарные модели
      3. Полупроводники
      4. Конденсированные вещества
   4. Ядерная физика
      1. Изотопы
      2. Радиоактивный распад
      3. Период полураспада
      4. Энергия связи
      5. Деление
      6. Fusion
      7. Нуклеосинтез
      8. Ядерное оружие
      9. Радиобиология
   5. Физика элементарных частиц
      1. Квантовая электродинамика
      2. Квантовая хромодинамика
      3. Квантовая динамика вкусов
      4. Стандартная модель
      5. Помимо стандартной модели
6. Фонды
   1. шт.
      1. Международная система единиц
      2. Гауссова система единиц
      3. Британо-американская система единиц
      4. Разные единицы
      5. Время
      6. Преобразование единиц
   2. Измерение
      1. Значащие цифры
      2. По порядку величины
   3. Графики
      1. Графическое представление данных
      2. Линейная регрессия
      3. Подгонка кривой
      4. Исчисление
   4. Векторы
      1. Тригонометрия
      2. Сложение и вычитание векторов
      3. Векторное разрешение и компоненты
      4. Умножение векторов
   5. ссылку
      1. Специальные символы
      2. Часто используемые уравнения
      3. Физические константы
      4. Астрономические данные
      5. Периодическая таблица элементов
      6. Люди в физике
7. Назад дело
   1. Предисловие
      1. Об этой книге
   2. Связаться с автором
      1. гленнелерт.нас
      2. Behance
      3. Instagram
      4. Твиттер
      5. YouTube
   3. Аффилированные сайты
      1. hypertextbook.com
      2. midwoodscience.org

Электричество — Проводники и изоляторы

Электричество — Проводники и изоляторы — Физика 299

«Какая польза от новорожденного ребенка?»
Бенджамин Франклин
(на вопрос, в чем польза нового изобретения)

• Движущиеся электрические заряды представляют собой так называемые электрические заряды. Текущий.Это электрические токи в полупроводниковых приборах. которые несут ответственность за электронные технологии в современном обществе.
• Проводники — это материалы, допускающие свободное движение электрического заряда. Примеры включают,
• Металлы
• Некоторые жидкости
• Плазма газовая
• Изоляторы (или непроводники) — это материалы, которые предоставлять значительное сопротивление потоку электрического заряда.Примеры включить,
• Неметаллы — пластик, дерево, стекло, резина и т. Д.
• Газы
• Полупроводники — это материалы, стойкость к текущий поток попадает между проводниками и изоляторами. Таких очень мало материалы, но их важность в электронных технологиях не может быть подчеркнуто достаточно. Примеры,
• Механизмы проводимости:
• Металлы (цельные)
• Каждый атом твердого тела «закреплен», образуя решетку.
• Внешние электроны в металле слабо связаны с атомными ядро.
• При приложении внешнего электрического поля эти внешние электроны движутся через материал создается электрический ток.
• Жидкие проводники и газовая плазма
• Проводящие жидкости и газы состоят из положительных и отрицательный ионы (заряженные частицы).
• И положительные, и отрицательные ионы движутся при внешнем электрическое поле применяется, создавая ток.
• Положительный заряд, движущийся вправо, создает то же самое. текущий как равный отрицательный заряд движется влево.
• Изоляторы
• Все электроны в этих материалах прочно связаны с атомные ядра. Внешние электрические поля обычно невелики достаточно, чтобы вызвать любой поток заряда.
• Полупроводники
• Эти материалы имеют небольшое количество слабосвязанных электроны, количество которых очень зависит от температуры и потенциал разница применяется по всему материалу.


• Важно понимать, что из-за постоянного электрического токи возникают только тогда, когда поддерживается разность потенциалов в замкнутом схема, входит столько носителей заряда, сколько выходит из любой части цепи. В другими словами, электрический ток не «израсходован»; он имеет такое же значение везде в цепи.

Мэрилин Монро предлагает Эйнштейну: Что ты скажешь, профессор, не должны ли мы пожениться и завести вместе маленького ребенка: что за детка это будет — моя внешность и ваш интеллект!
Эйнштейн: Я боюсь, дорогая леди, может быть и наоборот…
Альберт Эйнштейн

Доктор К. Л. Дэвис
Физический факультет
Университет Луисвилля
электронная почта : [email protected]

Физика для науки и техники II

1.5 Проводники и изоляторы от Office of Academic Technologies на Vimeo.

Для демонстраций см .:
http://maxwell.uncc.edu/aktas/PHYS2102nline/PHYS2102EandM.html

1,5 Проводники и изоляторы

С точки зрения проведения электричества, мы можем разделить вещества на две группы, а именно проводники и изоляторы.

Проводники — это те, которые обеспечивают среду, в которой заряды могут легко перемещаться. Типичным примером проводников являются все металлы. Все металлы являются хорошими проводниками электричества.

Вторая группа — изоляторы. А они — полная противоположность дирижерам. Они в основном не предоставляют такой среды, чтобы заряды могли легко перемещаться.В качестве примеров электрических изоляторов можно привести кусок дерева, пластика, бумаги и т. Д.

Чтобы понять, почему металлы являются хорошими электрическими проводниками, мы снова должны взглянуть на материю с атомной точки зрения. В некоторых атомах внешний электрон не связан с ядром. Эти электроны придают среде необходимую электрическую нейтральность, но они не вращаются вокруг ядра атома. Они бесплатные. Они свободны передвигаться под действием любой силы.

Так как они движутся в среде, поскольку они являются заряженными частицами, они переносят заряд с собой из одной точки в другую в этой среде. Эти типы электронов называются «свободными электронами». Следовательно, свободный электрон — это электрон, который не связан с ядром атома и может двигаться под действием любой силы.

А в металлах много свободных электронов. Это происходит по этой причине, поскольку эти свободные электроны, которые не связаны с ядрами атомов в металлических средах, перемещаются, и при движении они несут заряд с собой.Именно по этой причине все металлы являются хорошими электрическими проводниками.

Распределение зарядов на изоляторах и проводниках

Распределение заряда в проводнике правильной формы

Проводники позволяют зарядам перемещаться, потому что они содержат много высокомобильных носителей заряда (электронов). Как обвинения узнают, куда идти? Помните, что одинаковые заряды всегда отталкивают друг друга, поэтому, если где-то в проводнике есть избыточные электроны, они будут отталкиваться друг от друга, пока не удалятся друг от друга как можно дальше.

Где они окажутся? Представьте, что вы застряли в комнате с кучей других людей, и все вы хотите уйти как можно дальше друг от друга. Вы не можете выйти из комнаты, так куда вы все идете? К наружным стенам комнаты! Вы отталкиваете друг друга до тех пор, пока не сможете двигаться дальше. Избыточные электроны в отрицательно заряженном проводнике делают то же самое. Они отталкивают друг друга, пока все не оказываются на внешней поверхности. Заряды не останутся внутри проводника, когда он достигнет равновесия и заряды перестанут двигаться.

Если поверхность проводника гладкая и правильная, как сфера, заряды будут отталкивать друг друга, пока все они не окажутся на одинаковом расстоянии друг от друга.

Заряд будет равномерно распределен по поверхности проводника правильной формы.

Распределение заряда в проводнике неправильной формы

Как изменится распределение заряда, если поверхность проводника НЕ ​​гладкая и регулярная? В этом случае будет больше заряда там, где поверхность изгибается более резко, и меньшее накопление заряда в местах, где поверхность менее изогнута или плоская.Накопление заряда на острых точках создает большие электрические поля возле этих точек, что повышает вероятность образования искр.

Заряд НЕ распределяется равномерно по поверхности проводника неправильной формы.

Распределение заряда в изоляторе

Поскольку изоляторы не содержат подвижных носителей заряда, таких как проводники, заряды не могут легко перемещаться через них таким же образом.Однако это не значит, что изолятор нельзя заряжать! На самом деле это означает, что в изоляторе заряды остаются там, где они изначально установлены. Например, предположим, что у вас есть отрицательно заряженный стержень, и вы касаетесь одного конца другого нейтрального пластикового стержня. Поскольку пластик является изолятором, стержень будет иметь заряд только в тех местах, где к нему прикоснулся уже заряженный стержень. Заряды не могут отдаляться друг от друга, как бы сильно они ни отталкивались.

В отличие от проводников, распределение заряда на изоляторе НЕ зависит от формы объекта.Заряды остаются, куда бы вы их ни положили, независимо от формы и размера объекта!

Заряды не могут свободно перемещаться в изоляторе, поэтому избыточный заряд остается на месте.

Добавить комментарий Отменить ответ

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Комментарий *

Имя *

Email *

Сайт