Презентація на тему "Провідники в електричному полі". Презентація на тему "провідники та діелектрики" Презентація на тему провідники в електростатичному полі

Провідники в електричному полі Вільні заряди – заряджені частинки одного знака, здатні переміщатися під дією електричного поля. речовини провідники діелектрики напівпровідники

Будь-яке середовище послаблює напруженість електричного поля

Електричні характеристики середовища визначаються рухливістю заряджених частинок у ній

Провідник мметали, розчини солей, кислот, вологе повітря, плазма, тіло людини

Це тіло, всередині якого міститься достатня кількість вільних електричних набоїв, здатних переміщатися під дією електричного поля.

Якщо внести незаряджений провідник в електричне поле, то носії заряду починають рухатися. Вони розподіляються так, щоб створене ними електричне поле було протилежне зовнішньому полю, тобто поле всередині провідника послаблюватиметься. Заряди перерозподілятимуться доти, доки не будуть виконані умови рівноваги зарядів на провіднику, тобто:

нейтральний провідник, внесений до електричного поля, розриває лінії напруженості. Вони закінчуються на негативних індукованих зарядах і починаються на позитивних

Явище просторового поділу зарядів називається електростатичною індукцією. Власне поле індукованих зарядів з високим ступенемточності компенсує зовнішнє поле усередині провідника.

Якщо у провіднику є внутрішня порожнина, то поле буде відсутнє і всередині порожнини. Цією обставиною користуються з організації захисту устаткування електричних полів.

Електризацію провідника у зовнішньому електростатичному полі поділом вже наявних у ньому рівних кількостях позитивних і негативних зарядів називають явищем електростатичної індукції, а самі перерозподілені заряди - індукованими. Це можна використовувати для електризації незаряджених провідників.

Незаряджений провідник можна наелектризувати шляхом зіткнення з іншим зарядженим провідником.

Розподіл зарядів лежить на поверхні провідників залежить від своїх форми. Максимальна густина зарядів спостерігається на загостреннях, а всередині заглиблень зводиться до мінімуму.

Властивість електричних набоїв концентруватися в приповерхневому шарі провідника знайшло застосування для отримання значних різниць потенціалів електростатичним способом. На рис. наведено схему електростатичного генератора, що застосовується для прискорення елементарних частинок.

Сферичний провідник 1 великого діаметрурозташовується на ізоляційній колоні 2. Усередині колони рухається замкнута діелектрична стрічка 3, приводя-мая в рух барабанами 4. З високовольтного генератора еклектичний заряд через систему загострених провідників 5 передається на стрічку, з тильного боку стрічки розташовується заземля. зі стрічки знімаються системою гострий 7 і стікають на провідну сферу. Розмір максимального заряду, що може накопичитися у сфері визначається витоками з поверхні сферичного провідника. Практично генераторами подібної конструкції при діаметрі сфери 10-15 м вдається отримати різницю потенціалів близько 3-5 мільйонів вольт. Для збільшення заряду сфери всю конструкцію іноді поміщають у бокс, заповнений стислим газом, що зменшує інтенсивність іонізації.

http://www.physbook.ru/images/0/02/Img_T-68-004.jpg

http://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/elmag/uchpos/text/2_2.html

http://www.ido.rudn.ru/nfpk/fizika/electro/course_files/el13.JPG

ПРОВІДНИКИ ТА ДІЕЛЕКТРИКИ В ЕЛЕКТРИЧНОМУ ПОЛІ

Базовий курс

Провідниками називаються речовини, в яких є вільні електричні заряди, здатні переміщатися під дією слабкого електричного поля.

ПРОВІДНИКИ

ІОНІЗОВАНІ

ГАЗИ

МЕТАЛИ

ЕЛЕКТРОЛІТИ

Електростатичний захист- явище, згідно з яким, можна екранувати електричне поле «сховавшись» від нього всередині замкнутої оболонки з матеріалу, що проводить електрику (наприклад, металу).

Електростатичний захист.

Явище було відкрито Майклом Фарадеєм у 1836 році. Він зазначив, що зовнішнє електричне поле не може потрапити всередину заземленої металевої клітини. Принцип роботи клітини Фарадеяполягає в тому, що під дією зовнішнього електричного поля вільні електрони, що знаходяться в металі, починають рух і створюють на поверхні клітини заряд, який повністю компенсує це зовнішнє поле.

Діелектрики (або ізолятори) – речовини, що відносно погано проводять електричний струм (порівняно з провідниками).

У діелектриках всі електрони пов'язані, тобто належать окремим атомам, і електричне поле не відриває їх, лише злегка зміщує, т. е. поляризує. Тому всередині діелектрика може існувати електричне поле, діелектрик надає на електричне поле певний вплив

Діелектрики діляться на полярніі неполярні .

Полярні діелектрики

складаються з молекул, у яких центри розподілу позитивних та негативних зарядів не збігаються. Такі молекули можна подати у вигляді двох однакових за модулем різноіменних точкових зарядів , що знаходяться на деякій відстані один від одного, званих диполем .

Неполярні діелектрики

складаються з атомів та молекул, у яких центри розподілу позитивних та негативних зарядів збігаються.

Поляризація полярних діелектриків.

Приміщення полярного діелектрика в електростатичне поле (наприклад, між двома зарядженими пластинами) призводить до розвороту та зміщення до цього хаотично орієнтованих диполів уздовж поля.

Розворот відбувається під дією пари сил, прикладених із боку поля до двох зарядів диполя.

Зміщення диполів називається поляризацією. Однак через тепловий рух відбувається лише часткова поляризація. Усередині діелектрика позитивні та негативні заряди диполів компенсують один одного, а на поверхні діелектрика з'являється пов'язаний заряд: негативний з боку позитивно зарядженої пластини, і навпаки.

Поляризація неполярних діелектриків

Неполярний діелектрик в електричному полі також поляризується. Під дією електричного поля позитивні та негативні заряди в молекулі зміщуються в протилежні сторони, тому центри розподілу зарядів зміщуються, як у полярних молекул. Вісь наведеного полем диполя орієнтована вздовж поля. На поверхнях діелектрика, що примикають до заряджених пластин, з'являються заряди, що пов'язані.

Поляризований діелектрик створює електричне поле.

Це поле послаблює всередині діелектрика зовнішнє електричне поле

Ступінь цього ослаблення залежить від властивостей діелектрика.

Зменшення напруженості електростатичного поля в речовині, порівняно з полем у вакуумі, характеризується відносною діелектричною проникністю середовища.

Провідники в електричному полі

Діелектрики в електричному полі

1. Є вільні електрони

1.Немає вільних носіїв зарядів.

2.електрони збираються на поверхні провідника

2. В електричному полі молекули та атоми повертаються так, що з одного боку в діелектриці з'являється надлишковий позитивний заряд, а з іншого – негативний

3. Усередині провідника електричного поля немає

3. Електричне поле всередині провідника слабшає у ε разів.

4. Провідник можна розділити на 2 частини в електричному полі, і кожна частина буде заряджена різними знаками.

4. Діелектрик можна поділити на 2 частини в електричному полі, але кожна з них буде незарядженою

Контрольні питання

1 . Які речовини називають провідниками?

2Які електричні заряди називаються вільними?

3. Які частинки є носіями вільних зарядів у металах?

4. Що відбувається в металі, поміщеному в електричне поле?

5.Як розподіляється по провіднику повідомлений йому зоряд?

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ.

6.Якщо провідник, що знаходиться в електричному полі, розділити на дві частини, як будуть заряджені ці частини?

7.На якому принципі заснований електростатичний захист?

8. Які речовини називаються діелектриками?

9. Які бувають діелектрики? Чим вони відрізняються?

10.Поясніть поведінку диполя у зовнішньому електричному полі.

11. Як відбувається поляризація діелектриків.

12. Якщо діелектрик, поміщений в електричне поле розділити навпіл, який буде заряд кожної частини?

13. Над блискавковідведенням проходить негативно заряджена хмара. Поясніть на основі електронних уявлень, чому на вістря блискавковідводу виникає заряд. Який його знак?

На поверхні сфери конуси вирізують малі сферичні ділянки, які можна вважати плоскими. A r1r1 r2r2 S1S1 S2S2, або Конуси подібні один до одного, так як кути при вершині рівні. З подоби випливає, що площі підстав відносяться як квадрати відстаней і від точки А до майданчиків і відповідно. Таким чином,

Еквіпотенційні поверхні Зразковий перебіг еквіпотенційних поверхонь для певного моменту збудження серця показаний на малюнку. В електричному полі поверхня провідного тіла будь-якої форми є еквіпотенційною поверхнею. Пунктирні лінії позначають еквіпотенційні поверхні, цифри біля них – величину потенціалу в мілівольтах.

Діелектрична проникність речовин Речовинаε ε Гази та водяна пара Азот Водень Повітря Вакуум Водяна пара (при t=100 ºС) Гелій Кисень Вуглекислий газ Рідини Азот рідкий (при t= –198,4 ºС) Бензин Вода Водень рідкий (при 2 9 ºС) Гелій рідкий (при t= –269 ºC) Гліцерин 1,0058 1,006 1,4 1,9–2,0 81 1,2 1,05 43 Кисень рідкий (при t= –192,4 ºС) Олія трансформаторна Спирт Ефір Тверді тіла Алмаз Папір парафінований Дерево сухе Лід(при t= –10 ºС) Парафін Гума Слюда Скло Титан барію Фарфор Янтар 1,5 2,2 26 4,3 5,7 2,2 2,2–3,7 70 1,9–2,2 3,0 -6,0 5,7-7,2 6,0-10,4-6,8 2,8

Література О. Ф. Кабардін «Фізика. Довідкові матеріали». О. Ф. Кабардін «Фізика. Довідкові матеріали». А. А. Пінський «Фізика. Навчальний посібникдля 10 класу шкіл та класів з поглибленим вивченням фізики». А. А. Пінський «Фізика. Навчальний посібник для 10 класу шкіл та класів із поглибленим вивченням фізики». Г. Я. Мякішев «Фізика. Електродинаміка класи». Г. Я. Мякішев «Фізика. Електродинаміка класи». Журнал "Квант". Журнал "Квант".

Слайд 2

Провідники та діелектрики в електричному полі Заряджені частинки, які можуть вільно переміщатися в електричному полі, називають вільними зарядами, а речовини, що їх містять, - провідниками. Провідниками є метали, рідкі розчини та розплави електролітів. Вільними зарядами в металі є електрони зовнішніх оболонок атомів, які з ними зв'язок. Ці електрони, звані вільними електронами, можуть вільно рухатися металевим тілом у будь-якому напрямку. В умовах електростатики, тобто коли електричні заряди нерухомі, напруженість електричного поля всередині провідника завжди дорівнює нулю. Дійсно, якщо припустити, що поле всередині провідника все-таки є, то тоді на вільні заряди, що знаходяться в ньому, діятиме електричні сили, пропорційні напруженості поля, і ці заряди почнуть рухатися, а значить, поле перестане бути електростатичним. Таким чином, електростатичне поле усередині провідника відсутнє.

Слайд 3

Речовини, де немає вільних зарядів, називають діелектриками чи ізоляторами. Прикладами діелектриків можуть бути різні гази, деякі рідини (вода, бензин, спирт та інших.), і навіть багато тверді речовини (скло, фарфор, плексиглас, гума та інших.). Існують два види діелектриків – полярні та неполярні. У молекулі полярного діелектрика позитивні заряди перебувають переважно у її частини («+» полюс), а негативні – на другий («-» полюс). У неполярного діелектрика позитивні та негативні заряди однаково розподілені по молекулі. Електричний дипольний момент - векторна фізична величина, що характеризує електричні властивості системи заряджених частинок (розподілу зарядів) у сенсі створюваного нею поля і на неї зовнішніх полів. Найпростіша система зарядів, що має певний (не залежить від вибору початку координат) ненульовий дипольний момент - це диполь (дві точкові частинки з однаковими за величиною різноіменними зарядами)

Слайд 4

Електричний дипольний момент диполя по модулю дорівнює добутку величини позитивного заряду на відстань між зарядами і спрямований від негативного заряду до позитивного, або де q - величина зарядів, l -вектор з початком в негативному заряді і кінцем в позитивному. Для системи N частинок електричний дипольний момент дорівнює: Системні одиниці вимірювання електричного дипольного моменту не мають спеціальної назви. У СІ це просто Клм. Електричний дипольний момент молекул прийнято вимірювати в дебаях: 1 Д = 3,33564 · 10-30 Кл · м.

Слайд 5

Поляризація діелектрика. При внесенні діелектрика в зовнішнє електричне поле у ньому виникає деякий перерозподіл зарядів, що входять до складу атомів чи молекул. Внаслідок такого перерозподілу на поверхні діелектричного зразка з'являються надмірні некомпенсовані зв'язані заряди. Усі заряджені частинки, що утворюють макроскопічні пов'язані заряди, як і раніше, входять до складу своїх атомів. Пов'язані заряди створюють електричне поле, яке всередині діелектрика спрямоване протилежно до вектора напруженості зовнішнього поля. Цей процес називається поляризацією діелектрика. В результаті повне електричне поле всередині діелектрика виявляється за модулем менше зовнішнього поля. Фізична величина, що дорівнює відношенню модуля напруженості зовнішнього електричного поля у вакуумі E0 до модуля напруженості повного поля в однорідному діелектрику E, називається діелектричною проникністю речовини:

Слайд 6

Існує кілька механізмів поляризації діелектриків. Основними є орієнтаційна і деформаційна поляризації. Орієнтаційна чи дипольна поляризація виникає у разі полярних діелектриків, що складаються з молекул, у яких центри розподілу позитивних та негативних зарядів не збігаються. Такі молекули є мікроскопічні електричні диполі – нейтральну сукупність двох зарядів, рівних за модулем і протилежних за знаком, розташованих на певній відстані один від одного. Дипольним моментом володіє, наприклад, молекула води, а також молекули інших діелектриків (H2S, NO2 і т. д.). За відсутності зовнішнього електричного поля осі молекулярних диполів через тепловий рух орієнтовані хаотично, так що на поверхні діелектрика і в будь-якому елементі об'єму електричний заряду середньому дорівнює нулю. При внесенні діелектрика до зовнішнього поля виникає часткова орієнтація молекулярних диполів. В результаті на поверхні діелектрика з'являються некомпенсовані макроскопічні зв'язані заряди, що створюють поле, спрямоване назустріч зовнішньому полю.

Слайд 7

Поляризація полярних діелектриків залежить від температури, оскільки тепловий рух молекул грає роль дезорієнтуючого чинника. На малюнку показано, що у зовнішньому полі на різноіменні полюси молекули полярного діелектрика діють протилежно спрямовані сили, які намагаються повернути молекулу вздовж вектора напруженості поля.

Слайд 8

Деформаційний (або пружний) механізм проявляється при поляризації неполярних діелектриків, молекули яких не мають відсутність зовнішнього поля дипольним моментом. При електронній поляризації під впливом електричного поля електронні оболонки неполярних діелектриків деформуються – позитивні заряди зміщуються у бік вектора а негативні – у протилежному напрямі. У результаті кожна молекула перетворюється на електричний диполь, вісь якого спрямована вздовж зовнішнього поля. На поверхні діелектрика з'являються некомпенсовані заряди, що створюють своє поле спрямоване назустріч зовнішньому полю. Так відбувається поляризація неполярного діелектрика. Прикладом неполярної молекули може бути молекула метану CH4. У цій молекули чотириразово іонізований іон вуглецю C4 - розташовується в центрі правильної піраміди, у вершинах якої знаходяться іони водню H +. При накладенні зовнішнього поля іон вуглецю зміщується з центру піраміди, і в молекули виникає дипольний момент, пропорційний зовнішньому полю.

Слайд 9

У разі твердих кристалічних діелектриків спостерігається різновид деформаційної поляризації - так звана іонна поляризація, при якій іони різних знаків, що становлять кристалічну решітку, при накладенні зовнішнього поля зміщуються в протилежних напрямках, внаслідок чого на гранях кристала з'являються заряди, що некомпенсовані. Прикладом такого механізму може бути поляризація кристала NaCl, у якому іони Na+ і Cl– становлять дві подрешетки, вкладені друг в друга. У відсутність зовнішнього поля кожен елементарний осередок кристала NaCl електронейтральна і не має дипольного моменту. У зовнішньому електричному полі обидві грати зміщуються в протилежних напрямках, тобто кристал поляризується.

Слайд 10

На малюнку видно, що зовнішнє поле діє на молекулу неполярного діелектрика, переміщуючи всередині неї різноїменні заряди різні сторони, внаслідок чого ця молекула стає схожою на молекулу полярного діелектрика, орієнтуючись вздовж ліній поля. Деформація неполярних молекул під впливом зовнішнього електричного поля залежить від їх теплового руху, тому поляризація неполярного діелектрика залежить від температури.

Слайд 11

Основи зонної теорії твердого тіла Зонна теорія - один із основних розділів квантової теорії твердого тіла, що описує рух електронів у кристалах, і є основою сучасної теоріїметалів, напівпровідників та діелектриків. Енергетичний спектр електронів у твердому тілі суттєво відрізняється від енергетичного спектру вільних електронів (що є безперервним) або спектра електронів, що належать до окремих ізольованих атомів (дискретного з певним набором доступних рівнів) - він складається з окремих дозволених енергетичних зон, розділених зонами заборонених енергій. Згідно з квантово-механічними постулатами Бора, в ізольованому атомі енергія електрона може набувати строго дискретних значень (електрон має певну енергію і знаходиться на одній з орбіталей).

Слайд 12

У разі системи кількох атомів, об'єднаних хімічним зв'язком, електронні рівні енергії розщеплюються у кількості, пропорційній кількості атомів. Міра розщеплення визначається взаємодією електронних оболонок атомів. При подальшому збільшенні системи до макроскопічного рівня кількість рівнів стає дуже великою, а різниця енергій електронів, що знаходяться на сусідніх орбіталях, відповідно дуже маленької - енергетичні рівні розщеплюються до двох практично безперервних дискретних наборів - енергетичних зон.

Слайд 13

Найвища з дозволених енергетичних зон у напівпровідниках та діелектриках, в якій при температурі 0 К усі енергетичні стани зайняті електронами, називається валентною, наступною за нею – зоною провідності. За принципом взаємного розташування цих зон всі тверді речовини і ділять на три великі групи: провідники - матеріали, у яких зона провідності та валентна зона перекриваються (немає енергетичного зазору), утворюючи одну зону, яка називається зоною провідності (отже, електрон може вільно переміщатися між ними, отримавши будь-яку допустимо малу енергію); діелектрики - матеріали, у яких зони не перекриваються і відстань між ними становить більше 3 еВ (для того, щоб перевести електрон із валентної зони в зону провідності потрібна значна енергія, тому діелектрики струму практично не проводять); напівпровідники - матеріали, у яких зони не перекриваються і відстань між ними (ширина забороненої зони) лежить в інтервалі 0,1-3 еВ (для того, щоб перевести електрон з валентної зони в зону провідності потрібна менша енергія, ніж для діелектрика, тому чисті напівпровідники слабо пропускають струм).

Слайд 14

Величина забороненої зони (енергетична щілина між зонами валентності та провідності) є ключовою величиною в зонній теорії та визначає оптичні та електричні властивості матеріалу. Перехід електрона з валентної зони в зону провідності називають процесом генерації носіїв заряду (негативного – електрона, та позитивного – дірки), а зворотний перехід – процесом рекомбінації.

Слайд 15

Напівпровідниками є речовини, ширина забороненої зони яких становить близько кількох електрон-вольт (еВ). Наприклад, алмаз можна віднести до широкозонних напівпровідників, а арсенід - до узкозонних. До напівпровідників належать багато хімічні елементи(Німеччина, кремній, селен, телур, миш'як та інші), величезна кількість сплавів та хімічних сполук (арсенід галію та ін). Найпоширенішим у природі напівпровідником є кремній, що становить майже 30% земної кори. Напівпровідник - матеріал, який за своєю питомою провідністю займає проміжне місце між провідниками та діелектриками та відрізняється від провідників сильною залежністю питомої провідності від концентрації домішок, температури та впливу різних видіввипромінювання. Основною властивістю напівпровідника є збільшення електричної провідності із зростанням температури.

Слайд 16

Напівпровідники характеризуються як властивостями провідників, і діелектриків. У напівпровідникових кристалах електронам необхідно близько 1-2 · 10-19 Дж (приблизно 1 еВ) енергії для вивільнення з атома проти 7-10 · 10-19 Дж (приблизно 5 еВ) у діелектриків, чим і характеризується основна відмінність між напівпровідниками та діелектриками . Ця енергія з'являється в них при підвищенні температури (наприклад, при кімнатній температурірівень енергії теплового руху атомів дорівнює 0,4 10-19 Дж), і окремі електрони отримують енергію для відриву від ядра. Вони залишають свої ядра, утворюючи вільні електрони та дірки. Зі зростанням температури кількість вільних електронів і дірок збільшується, тому в напівпровіднику, що не містить домішок, питомий електричний опір зменшується. Умовно прийнято вважати напівпровідниками елементи з енергією зв'язку електронів меншою ніж 2-3 еВ. Електронно-дірковий механізм провідності проявляється у власних (тобто без домішок) напівпровідників. Він називається власною електричною провідністю напівпровідників.

Слайд 17

Імовірність переходу електрона з валентної зони до зони провідності пропорційна (-Еg/kT), де Еg – ширина забороненої зони. При великій величині Еg(2-3 еВ) ця можливість виявляється дуже малою. Таким чином, підрозділ речовин на метали та неметали має цілком певну основу. На відміну від цього розподіл неметалів на напівпровідники та діелектрики такої основи не має і є суто умовним.

Слайд 18

Власна та домішкова провідність Напівпровідники, у яких вільні електрони та «дірки» з'являються в процесі іонізації атомів, з яких побудований весь кристал, називають напівпровідниками із власною провідністю. У напівпровідниках зі своєю провідністю концентрація вільних електронів дорівнює концентрації «дірок». Для створення напівпровідникових приладів часто використовують кристали з домішковою провідністю. Такі кристали виготовляються за допомогою внесення домішок з атомами пятивалентного або тривалентного хімічного елемента

Слайд 19

Електронні напівпровідники (n-типу) Термін "n-тип" походить від слова "negative", що означає негативний заряд основних носіїв. У чотиривалентний напівпровідник (наприклад, кремній) додають домішка пятивалентного напівпровідника (наприклад, миш'яку). У процесі взаємодії кожен атом домішки входить у ковалентну зв'язок з атомами кремнію. Однак для п'ятого електрона атома миш'яку немає місця в насичених валентних зв'язках, і він відривається і перетворюється на вільний. У даному випадкуперенесення заряду здійснюється електроном, а не діркою, тобто даний вид напівпровідників проводить електричний струм подібно до металів. Домішки, які додають напівпровідники, внаслідок чого вони перетворюються на напівпровідники n-типу, називаються донорними.

Слайд 20

Діркові напівпровідники (р-типу) Термін "p-тип" походить від слова "positive", що означає позитивний заряд основних носіїв. Цей вид напівпровідників, окрім домішкової основи, характеризується дірковою природою провідності. У чотиривалентний напівпровідник (наприклад, кремній) додають невелику кількість атомів тривалентного елемента (наприклад, індія). Кожен атом домішки встановлює ковалентний зв'язок із трьома сусідніми атомами кремнію. Для встановлення зв'язку з четвертим атомом кремнію атом індію не має валентного електрона, тому він захоплює валентний електрон з ковалентного зв'язку між сусідніми атомами кремнію і стає негативно зарядженим іоном, внаслідок чого утворюється дірка. Домішки, які додають у цьому випадку, називаються акцепторними.

Слайд 21

Слайд 22

Фізичні властивостінапівпровідників найбільш вивчені порівняно з металами та діелектриками. Неабиякою мірою цьому сприяє величезна кількість ефектів, які не можуть бути спостерігаються ні в тих, ні в інших речовинах, насамперед пов'язані з улаштуванням зонної структури напівпровідників, та наявністю досить вузької забороненої зони. Напівпровідникові сполуки ділять на кілька типів: прості напівпровідникові матеріали - власне хімічні елементи: бор B, вуглець C, германій Ge, кремній Si, селен Se, сірка S, сурма Sb, телур Te та йод I. Самостійне застосування широко знайшли германій, кремній та селен. Інші найчастіше застосовуються як легуючі добавки або як компоненти складних напівпровідникових матеріалів. До групи складних напівпровідникових матеріалів входять хімічні сполуки, що мають напівпровідникові властивості і включають два, три і більше хімічних елементів. Звичайно, основним стимулом для вивчення напівпровідників є виробництво напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем.

Слайд 23

Дякую за увагу!

Переглянути всі слайди

Можливо, буде корисно почитати: