Конденсатор емкостью С заряжается из полностью разряженного состояния от батарейки с ЭДС U0 и внутренним сопротивлением r. Как соотносится тепловая энергия Q, выделившаяся на батарейке, и энергия конденсатора W после его полной зарядки. W = Q
2W =Q
2Q = W
W » Q
Различное, в зависимости от величин С, U0 и r
С простого опыта можно убедиться в том, что незаряженный диэлектрик может создавать электрическое поле. На рисунке 1.52 вы видите заряженный электрометр с металлическим диском на конце стержня. Если к диску электрометра поднести незаряженный диэлектрик, например толстое стекло, то стрелка электрометра слегка приблизится к стержню (рис. 1.53). Это может произойти только в том случае, если диэлектрик, помещенный в электрическое поле заряженного диска, сам создает электрическое поле. Это поле влияет на распределение заряда в стержне и диске электрометра, уменьшая заряд стрелки и увеличивая соответственно заряд диска. Следовательно, диэлектрик, оставаясь нейтральным, создает электрическое поле, напряженность которого направлена противоположно напряженности поля, созданного заряженным телом. Ведь согласно принципу суперпозиции напряженность электрического поля всегда равна сумме напряженностей полей, созданных в данной точке всеми заряженными частицами.
диэлектрик
Электрические свойства нейтральных атомов и молекул
Чтобы понять, как незаряженный диэлектрик создает электрическое поле, надо сначала познакомиться с электрическими свойствами нейтральных атомов и молекул.
Атомы и молекулы состоят из положительно заряженных частиц — ядер и отрицательно заряженных частиц — электронов. На рисунке 1.54 изображена схема простейшего атома — атома водорода. Положительный заряд атома, заряд его ядра, сосредоточен в центре атома. Электрон движется в атоме с большой скоростью ≈ 106 м/с. Один оборот вокруг ядра он делает за очень малое время, порядка 10-15 с. Поэтому, например, уже за 10-9 с он успевает совершить миллион оборотов и, следовательно, миллион раз побывает в двух любых точках 1 и 2, расположенных симметрично относительно ядра. Это дает основание считать, что даже за очень малый промежуток времени центр распределения отрицательного заряда приходится на середину атома, т. е. совпадает с положительно заряженным ядром (рис. 1.55, штриховыми окружностями показан ряд-положений электрона).
Однако так обстоит дело не всегда. Рассмотрим молекулу поваренной соли NaCl. Атом натрия имеет во внешней оболочке один валентный электрон, слабо связанный с атомом. У хлора семь валентных электронов. При образовании молекулы единственный валентный электрон натрия захватывается хлором. Оба нейтральных атома превращаются в систему из двух ионов с зарядами противоположных знаков (рис. 1.56). Положительный и отрицательный заряды не распределены теперь симметрично по объему молекулы: центр распределения положительного заряда приходится на ион натрия, а отрицательного — на ион хлора.
Электрические свойства нейтральных атомов и молекул
Электрический диполь
На большом расстоянии от молекулы ее можно приближенно рассматривать как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии l друг от друга (рис. 1.57). Такую нейтральную в целом систему зарядов называют электрическим диполем.
Электрические свойства диполя характеризуются электрическим дипольным моментом. Электрический момент диполя равен произведению модуля одного из электрических зарядов диполя на вектор , проведенный от отрицательного заряда диполя к положительному:
Дипольным моментом обладает, например, молекула воды. Однако распределение электрических зарядов у молекулы Н20 гораздо сложнее, чем у NaCl. Устроена молекула воды приблизительно следующим образом. Из восьми электронов атома кислорода два находятся вблизи ядра. Пара электронов с внешней оболочки спаривается с двумя электронами атомов водорода, удерживая все три атома (один кислорода и два водорода) друг около друга. Остающиеся четыре электрона движутся парами по орбитам, простирающимся в стороны, противоположные атомам водорода. Примерная схема электронных орбит в молекуле воды изображена на рисунке 1.58. Верхняя по рисунку часть молекулы имеет положительный заряд, а нижняя — отрицательный. В результате молекулу на большом расстоянии тоже можно рассматривать как электрический диполь. Электрический дипольный момент молекулы воды по сравнению с дипольными моментами других молекул оказывается большим: р = 1,87 • 10-18 СГСЭр.
схема электронных орбит в молекуле воды
Два вида диэлектриков
Диэлектрики можно разделить на два вида:
полярные, состоящие из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают;
неполярные, состоящие из атомов и молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают.
К полярным диэлектрикам относятся спирты, вода и другие вещества; к неполярным — инертные газы, кислород, водород, бензол, полиэтилен и др.
Существует два вида диэлектриков: полярные и неполярные. Они различаются строением молекул.