Діелектрики в електростатичному полі
1-й семестр
ЕЛЕКТРОДИНАМІКА
1. Електричне поле
УРОК 7/7
Тема. Діелектрики в електростатичному полі
Мета уроку: навчити учнів пояснювати з позиції електронної теорії явища, що відбуваються в діелектриках, поміщених в електричне поле.
Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.
ПЛАН УРОКУ
Контроль знань | 4 хв. | 1. Провідники в електростатичному полі. 2. Явище електростатичної індукції. 3. Чому електричне поле діє на незаряджені предмети? |
Демонстрації | 5 | 1. Розподіл заряду на поверхні діелектрика. 2. Відео-фрагмент: “Діелектрики в електричному полі”. |
Вивчення нового матеріалу | 24 хв. | 1. Особливості внутрішньої будови діелектриків. 2. Як електростатичне поле впливає на діелектрик? 3. Як діелектрик впливає на електростатичне поле? |
Закріплення вивченого матеріалу | 12 хв. | 1. Якісні питання. 2. Навчаємося розв’язувати задачі. |
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Особливості внутрішньої будови діелектриків
Діелектриками називають речовини,
1). Неполярні діелектрики – речовини, молекули (атоми) яких неполярні: у них за відсутності зовнішнього електричного поля центри мас позитивних і негативних зарядів збігаються. Наприклад, інертні гази (аргон, ксенон); гази, що складаються із симетричних двохатомних молекул (кисень, водень, азот); деякі органічні рідини (масло, бензин); із твердих тіл – пластмаси.
2). Полярні діелектрики – речовини, молекули яких полярні: у них за відсутності зовнішнього електричного поля центри мас позитивних і негативних зарядів не збігаються. Прикладом полярного діелектрика є вода.
Молекули води, як і інших полярних діелектриків, являють собою мікроскопічні електричні диполі.
Електричний диполь – електронейтральна сукупність рівних за модулем і протилежних за знаком двох зарядів, розташованих на деякій відстані один від одного.
За відсутності зовнішнього електростатичного поля дипольні молекули завдяки тепловому руху розташовуються безладно. Тому векторна сума напруженостей полів, створених дипольними молекулами діелектрика, дорівнює нулю.
3). Іонні діелектрики – речовини, що мають іонну структуру. Серед них солі й луги: натрій хлорид натрію (NaCl), калій хлорид (KCl) і т. ін. За відсутності зовнішнього електростатичного поля кожна комірка і кристал загалом є електронейтральним.
2. Як електростатичне поле впливає на діелектрик?
Внесення діелектрика в зовнішнє електростатичне поле призводить до поляризації діелектрика. Механізм поляризації різних типів діелектриків різний, оскільки його визначає характер хімічного зв’язку в діелектриках.
Пд час поляризації неполярних діелектриків проявляється електронний (деформаційний) механізм. Під дією зовнішнього електростатичного поля молекули неполярних діелектриків поляризуються: позитивні заряди зміщуються в напрямку вектора напруженості 
0 цього поля, а негативні – у протилежному напрямку.
Зрештою, молекули перетворюються в електричні диполі, розташовані ланцюжками уздовж силових ліній зовнішнього поля. У результаті на поверхнях з’являються некомпенсовані зв’язані заряди протилежних знаків, що утворюють своє поле, напруженість ‘ якого напрямлена назустріч напруженості 0 зовнішнього поля.
У процесі поляризації полярних діелектриків виникає орієнтовна поляризація. Під дією зовнішнього поля дипольні молекули діелектрика намагаються повернутися так, щоб їхні осі були розташовані уздовж силових ліній поля, але тепловий рух молекул заважає цьому процесу. Тому виникає лише часткове впорядкування дипольних моментів. Наявність упорядкування в розташуванні молекул призводить до того, що на поверхнях діелектрика з’являються нескомпенсовані заряди протилежних знаків. Ці заряди утворюють своє поле, напруженість ‘ якого напрямлена назустріч напруженості 0 зовнішнього поля.
У процесі поляризації іонних діелектриків спостерігається іонна поляризація. Внаслідок дії зовнішнього поля іони різних знаків зміщуються в протилежних напрямках, через що на гранях кристала з’являються некомпенсовані зв’язані заряди, тобто кристал поляризується.
Підбиваючи підсумок, можна сказати, що поляризацію діелектриків можна визначити як процес появи орієнтованих диполів або орієнтації диполів, які існують у діелектрику, під дією зовнішнього електростатичного поля.
3. Як діелектрик впливає на електростатичне поле
Отже, внесення діелектрика в зовнішнє електростатичне поле призводить до появи зв’язаних зарядів на поверхні діелектрика.
Зв’язані заряди створюють електричне поле напруженістю ‘, яка усередині діелектрика напрямлена протилежно до вектора напруженості 0 зовнішнього поля. Завдяки цьому поле усередині діелектрика слабшає. У результаті напруженість результуючого поля усередині діелектрика виявляється за модулем меншою, ніж напруженість 0 зовнішнього поля: Е = Е0 – Е’. Зменшення модуля напруженості електростатичного поля в речовині, порівняно з модулем напруженості 0 електростатичного поля у вакуумі, характеризується фізичною величиною, яку називають діелектричною проникністю є речовини:
Зменшення напруженості електричного поля в діелектрику в є разів призводить до такого самого зменшення сили електростатичної взаємодії точкових зарядів у цьому діелектрику.
Тому закон Кулона для точкових зарядів, розташованих у діелектрику, має вигляд:
Формули для розрахунку напруженості й потенціалу поля, створеного точковим зарядом Q, розташованим у діелектрику, мають вигляд:
ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
Перший рівень
1. У чому полягає особливість будови діелектриків?
2. Чому за нормальних умов діелектрик не має свого електричного поля?
3. Чим відрізняються полярні діелектрики від неполярних?
4. Чому діелектрик послабляє електростатичне поле?
Другий рівень
1. У чому полягають особливості електризації діелектриків?
2. Чому незаряджені тіла, виготовлені з діелектрика, притягуються до заряджених тіл?
3. Чому діелектрична проникність різних речовин має різні значення?
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1). Якісні питання
1. Силові лінії однорідного електростатичного поля напрямлені вертикально. Накресліть картину силових ліній цього поля, коли в ньому розташована горизонтальна скляна пластинка.
2. Над кондуктором зарядженого електрометра розташували незаряджену пластину з оргскла. Як зміниться після цього відхилення стрілки електрометра?
2). Навчаємося розв’язувати задачі
1. Поясніть, чому часточки манної крупи в касторовій олії “вишиковуються” уздовж силових ліній сильного електричного поля.
2. Дві маленькі кульки, заряди яких однакові за модулем, перебуваючи в трансформаторному мастилі на відстані 50 см одна від одної, взаємодіють із силою 2,2 мН. Визначте модуль заряду кожної кульки. Діелектрична проникність трансформаторного мастила 2,2.
3. Заряджена металева кулька масою 40 м і об’ємом 4,2 см3 перебуває в посудині з маслом. Після того як систему помістили в однорідне електростатичне поле напруженістю 4 МВ/м, кулька спливла, опинившись на іншій глибині. Визначте заряд кульки. Густина масла 800 кг / м3, діелектрична проникність – 5.
ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ
– Електричний диполь – електронейтральна сукупність двох рівних за модулем і протилежних за знаком зарядів, розташованих на деякій відстані один від іншого.
– Поляризацію діелектриків можна визначити як процес появи орієнтованих диполів або орієнтації диполів, які існують у діелектрику, під дією зовнішнього електростатичного поля.
– Поділ зарядів у діелектрику під дією електричного поля (поляризація діелектрика) призводить до ослаблення електричного поля усередині діелектрика й появи зв’язаних зарядів на його поверхні.
– Діелектрична проникність діелектрика є показує, у скільки разів зменшується електрична взаємодія в безмежному однорідному діелектрику порівняно з вакуумом: 
У стільки ж разів ослаблюється й електричне поле в діелектрику.
Домашнє завдання
1. Підр-1: § 6; підр-2: § 2 (п. 2).
2. Зб.:
Рів1 № 2.5; 2.17; 2.18; 2.19.
Рів2 № 2.25; 2.31; 2.32, 2.43.
Рів3 № 2.59, 2.60; 2.61; 2.62.
3. Д: підготуватися до самостійної роботи № 1.
ЗАВДАННЯ ІЗ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ № 1 “НАПРУЖЕНІСТЬ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ. ПРОВІДНИКИ Й ДІЕЛЕКТРИКИ В ЕЛЕКТРИЧНОМУ ПОЛІ”
Завдання 1 (1,5 бала)
В електричне поле зарядженої кулі помістили на однаковій відстані від центра кулі дві маленькі кульки із зарядами q і 2q.
А На обидві кульки з боку електричного поля діють однакові сили.
Б На кульку із зарядом q діє сила, більша, ніж на кульку із зарядом 2q.
В На кульку із зарядом 2q діє сила, більша, ніж на кульку із зарядом q.
Г Модуль електричної сили обернено пропорційний модулю заряду тіла, на яке вона діє.
Завдання 2 (2,5 бала)
На рисунку зображені лінії напруженості поля позитивного і негативного точкових зарядів.
А Густота ліній напруженості обернено пропорційна модулю напруженості.
Б Лінії напруженості починаються на негативних зарядах і закінчуються на позитивні.
В Лінії напруженості електричного поля не перетинаються.
Г Напруженість поля в цій точці перпендикулярна до ліній напруженості електричного поля.
Завдання 3 (3 бали)
Завдання 3 має на меті встановити відповідність (логічну пару). До кожного рядка, відзначеного буквою, підберіть формулу, позначену цифрою.
А Закон Кулона.
Б Закон збереження електричного заряду.
В Напруженість поля точкового заряду.
Г Принцип суперпозиції електричних полів.
Завдання 4 (5 балів)
Який заряд повинна мати порошина масою 0,1 мг, щоб вона “висіла” у напрямленому догори електростатичному полі напруженістю 1 кН/Кл?
(1 votes, average: 5.00 out of 5)
Loading...