Основные уравнения электростатики диэлектриков

Условие нейтральности объема V имеет вид

. (3.29)

Дипольный момент для двух точечных зарядов

. (3.30)

При непрерывном распределении зарядов электрический дипольный момент определяется формулой

, (3.31)

где r – радиус-вектор, который отсчитывается от любой точки.

Напряженность и потенциал электрического поля нейтральной системы с дипольным моментом p определяются соотношениями

; (3.32)

. (3.33)

Степень поляризации диэлектриков характеризуется вектором поляризации, определяемым как отношение электрического дипольного момента  p элемента диэлектрика к его объемуV:

.

При этом вектор поляризации диэлектриков, состоящих из неполярных молекул,

, (3.34)

где N – концентрация молекул;

p _o– индуцированный дипольный момент (одинаков у всех молекул), совпадающий по направлению с напряженностью E внешнего электрического поля;

i – символ, который указывает, что суммирование распространяется на все молекулы объема V.

Для диэлектриков, состоящих из полярных молекул, вектор поляризации

, (3.35)

где < p > – среднее значение дипольных моментов, равных друг другу по абсолютному значению, отличающихся направлением.

Диэлектрические свойства линейного изотропного диэлектрика характеризуются одной скалярной величиной - диэлектрической восприимчивостью.

Для такого диэлектрика

, (3.36)

где – диэлектрическая восприимчивость.

Дипольный момент элемента объема dV в соответствии с формулами и равен

. (3.37)

Величина связанных зарядов определяется формулой

. (3.38)

Объемная плотность связанных зарядов, которые возникают лишь в том случае, когда вектор поляризации P изменяется от точки к точке, определяется так:

. (3.39)

На границе двух различных диэлектриков возникают поверхностные заряды, при этом

, (3.40)

где P_n- нормальная составляющая вектора поляризации диэлектрика на его границе раздела с вакуумом.

Потенциал _д, создаваемый связанными зарядами диэлектрика, можно определить по формуле

. (3.41)

Данный потенциал суммируется с потенциалом, создаваемым свободными зарядами, поверхностная плотность которых

, (3.42)

Уравнение с учетом связанных зарядов как источников поля может быть записано, очевидно, следующим образом:

. (3.43)

, (3.44)

где D =_o E + P.

Относительная диэлектрическая проницаемость среды

. (3.45)

Теорема Остроградского-Гаусса при наличии диэлектриков

.

Вопрос №45

Источниками электрического тока называют приборы, превращающие в электрическую энергию другие виды энергии, источники делятся на два класса: химические и физические.

Химические источники тока преобразуют химическую энергию в электрическую. Они состоят из одного источника или множества первичных или вторичных источников тока, объединенных в батарею. Превращение химической энергии в электрическую энергию выполняется в них непосредственно, без участия других видов энергий. Химические источники тока имеют разную степень многократного использования. В зависимости от возобновляемости введено разделение на два типа.

Первичные источники – батарейки. Их невозможно использовать повторно из-за необратимости химических реакций протекающих во время работы.
Вторичные источники – аккумуляторы. Перед использованием они заряжаются специальными приборами. Накопленный заряд транспортируется вместе с аккумуляторами. Во время эксплуатации аккумуляторов химическая энергия веществ, образовавшихся в процессе зарядки, преобразуется в электрическую энергию. После окончания заряда аккумулятора возможна регенерация веществ, необходимых для его работы путем зарядки.
Топливные элементы – аналогичны батарейкам, но для прохождения химической реакции вещества поступают в них снаружи, а продукты реакции удаляются, что дает возможность элементам эффективно работать долгое время.
Полутопливные элементы содержат одно из реагирующих веществ, второе при функционировании все время поступает в элемент. Срок службы установлен запасом не возобновляемого вещества. Если возможна регенерация не возобновляемого вещества путем зарядки, то полутопливный элемент восстанавливает работоспособность как аккумулятор.
Возобновляемые элементы – механически или химически перезаряжаемые элементы. В них предусмотрена возможность замены после окончания разряда израсходованных веществ. В отличие от топливных эти элементы работают с периодическим возобновлением реагентов.
Следует учитывать некоторую условность разделения на аккумуляторы и батарейки. Свойства аккумуляторов проявляются у щелочных батареек, их можно реанимировать при степени разряда 24-40 %. Некоторые аккумуляторы, как и батарейки, используются один раз.
По типу используемого электролита химические источники тока делятся на: cолевые, щелочные, кислотные.
Физические источники тока преобразуют механическую, световую, тепловую, ядерную и другие виды энергии кроме химической в электрическую.

 

Основные характеристики электрического тока:

а) сила тока I – численно равна количеству электричества (заряду) Q, протекающего по проводнику за время t:

I =

 

В зависимости от величины и направления токи бывают: постоянные, переменные, пульсирующие и другие. Будем рассматривать только постоянные токи I = const.

Ток измеряется прибором – амперметром, который включается в цепь последовательно проводнику (сопротивлению).

б) напряжение U – равно разности потенциалов на участке цепи.

Напряжение измеряется прибором – вольтметром, который включается параллельно проводнику (сопротивлению);

в) сопротивление R проводника.

Сопротивление зависит:

1. От длины проводника ℓ, его сечения S и материала (характеризуется удельным сопротивлением проводника ρ):

 

2. От температуры t°С (или Т): R = R₀ (1 + αt),

где R₀ – сопротивление проводника при 0°С,

α – температурный коэффициент сопротивления.

3. Проводники могут соединяться последовательно и параллельно.

г) плотность тока j – физическая величина, определяемая силой тока I проходящего через единицу площади поперечного сечения S проводника:

j =

д) электрическая сила (ЭДС) ε – физическая величина, определяемая работой сторонних (неэлектрических) сил А_ст по перемещению единичного положительного заряда q:

Если в цепи на носители тока действуют силы электрического поля, то происходит перемещение носителей (они предполагаются положительными) от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. Это приводит к выравниванию потенциалов во всех точках цепи и к исчезновению электрического поля. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способно создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними.

СТОРОННИЕ СИЛЫ

в электротехнике - силы, действующие на заряж. частицы и тела, ноне являющиеся ни силами электростати ч. поля (см. Электростатика), ни силами индуктированногоэлектрического поля. С. с. обусловлены хим. реакциями, контактными явлениями, механич., тепловыми идр. неэлектромагнитными (при макроскопич. рассмотрении) процессами, происходящими в источникахпитания электрич. цепей. В физике часто под С. с. понимают также и силы индуктиров. электрич. поля.

Вопрос №46

Зако́н О́ма — эмпирический физический закон, определяющий связь электродвижущей силы источника или электрическогонапряжения с силой тока и сопротивлением проводника, установлен в 1826 году, и назван в честь его первооткрывателя Георга Ома.