Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 45
Текст из файла (страница 45)
пература, выше которой его необычные свойства исчеаакгт и он становится обычным диэлектриком. Эта температура называется точкой Кюри (в честь французского физика Пьера Кюри (!859 — !905) ). Как правило, сегнетоэлектрики имеют только одну точку Кюри; исключение составляют лишь сегнетова соль ( — !8 и +24 'С) и изоморфные с нею соединения. В сегнетоэлектриках вблизи точки Кюри наблюдается также резкое возрастание теплоемкости вещества. Превращение сегнетоэлектриков в обычный диэлектрик, происходящее в точке Кюри, сопровождается фазавым переходом П рода (см. 4 75) . Диэлектрическая проницаемость е (а следовательно, и диэлектрическая восприимчивость х) сегнетоэлектриков зависит ат напряженности Е поля в веществе, а для лругих лиэлектриков эти величины являются характеристиками вещест.
ва. Рис. !Зв 1П Элгк1рн цгхно и э ц ь' Почлгк~ч и ~ч Рис. !4П Для сегнетоэлектриков формула (88.2) не соблюдается; для них связь между векторами полярнзованностн (Р) и напряженности (Е) нелинейная и зависит ат значений Е в предшествующие моменты времени. В сегнетозлектриках наблюдается явление диэлектрического гистерезиса («запаздывания») Как видно из рис. 140, с увеличением напряженности Е внешнего электрического поля поляризоваиность Р растет, достигая насыщения (кривая!). Уменьшение Р с уменьшением Е происходит по кривой 2, и ори Е= =0 сегнетоэлектрик сохраняет остаточную воляризованность Рю т. е. сегнетоэлектрик остается поляризованным в отсутствие внешнего электрического поля.
Чтобы уничтожить остаточную полярнзованность, надо приложить электрическое попе обратного направления ( — Е,). Величина Е, называется коэрцитивной силой (от лат. соегсйю — удерживание). Если далее Е изменять, то Р изменяется по кривой 3 петли гнстерезиса. Интенсивному изучению сегнетоэлектриков послужило открытие советским физиком Б. М. Вулом (1903 — 1985) аномальных диэлектрических свойств титаната бария. Титанат бария из-за его химической устойчивости и высокой механической прочности, а также из-за сохранения сегнетоэлектрических свойств в широком температурном интервале нашел большое научно-техническое применение (например, в качестве генератора и приемника Ультразвуковых волн).
В настоящее время известно более сотни сегнетоэлектриков, не считая их твердых растворов. Сегнетаэлектрики широко применяются также в качестве материалов с большимн значе- ниями е (например, в конденсаторах). Следует упомячугь ешг о иьезоэлектрнках - кристаллических веществах, в которых при сжатии илн Растяжении з определенных направлениях возникает электрическая поляри. эацня даже в отсутствие внешнего электрического ноля (прямой пьезоэффект). Следствием прямого пьезоэффекта являетгя обратный пьезоэффект — появление механической деформации под действием электрического полн. У некоторых пьезоэлектрнков решетка положительных ионов в состоянии термодинэмнческого равновесия смещена шногнтельно решетки отрицательных ионов, в результате чего они оказываются электрически поляризованными лаже без внешнего электрического поли.
Такие кристаллы нэзываютсн пнроэлехтрикамн. Еше существуют электреты - - диэлектрики, длительно сохраняющие поляризованное состояние после снятия внешнего электрического поля (электрические аналоги постоянных магнитов) Эти группы веществ находят широкое применение в технике н бытовых устройс4яах й 92. Проводники в электростатическом поле Если поместить проводннн во внешнее электростатическое поле или его зарядить, то на заряды проводника будет действовать электростатическое поле, в результате чего они начнут перемещаться. Перемещение зарядов (ток) продолжается до тех пор, пока не установится равновесное распределение зарядов, при котором электростатическое поле внутри проводника обращается в нуль. Это происходит в течение очень корогкого времени.
В самом деле, если бы поле не было равно пулю, то в проводнике возникло бы упорядоченное движение зарядов без затраты энергии от внешнего источника, что противоречит закону сохранения энергии. Итак, напряженность поля во всех точках внутри проводника равна нулю: Е О. Отсутствие поля внутри проводника означает, согласно (85.2), что потенциал во всех точках внутри проводника постоянен (гр=сопз(), т. е. поверхность проводника в электростатическом поле являетсн эквипотенциальнпй (см. 9 85).
Отсюда же ! з, к ь 1! 1ль.т!ч,со~тика (92.1) или (92.2) Е = а/(ьье), 4м и е ь б) а! !'чс, !4З Рис. 141 следует, что вектор напряженности поля на внешней поверхности проводника направлен по нормали к каждой точке его поверхности. Если бы это было не так, то под действием касательной составляющей Е заряды начали бы по поверхности проводника перемещаться, что, в свою очередь, противоречило бы равновесному распределению зарядов.
Если проводнику сообщить некоторый заряд !4, то нескомпенсированные заряды располагаются только на поверхности проводника. Это следует непосредственно из теоремы Гаусса (89.3), согласно которой заряд 4), находящийся внутри проводника в некотором обьеме, ограниченном произвольной замкнутой поверхностью, равен так как во всех точках внутри поверхности Р=О. Найдем взаимосвязь между капряженностью Е поля вблизи поверхности заряженного проводника и поверхностной плотностью а зарядов на его поверхности. Для этого применим теорему Гаусса к бесконечно малому цилиндру с основаниями Л5, пересекающему границу проводник— диэлектрик.
Ось цилиндра ориентирована вдоль вектора Е (рис. 141). Поток вектора электрического смешения через внутреннюю часть цилиндрической поверхности равен нулю, так как внутри проводника Е! (а следовательно, и О!) равен нулю, поэтому поток вектора 0 сквозь замкнутую цилиндрическую поверхность определяется только потоком сквозь наружное основание цилиндра. Согласно теореме Гаусса (89.3), этот поток (Рйа) равен сумме за- рядов ((г'=аЛ5), охватываемых поверхно- стью: РЬ5=аб5, т. е.
где в — диэлектрическая проницаемость среды, окружающей проводник. Таким образам, напряженность электростатического полн у поверхности проводника определяется поверхностной плотностью зарядов. Можно показать, что соотношение (92.2) задает напряженность электростатического поля вблизи поверхности проводника любой формы. Если во внешнее электростатическое поле внести нейтральный проводник, та свободные заряды (электроны, ионы) будут перемещаться: положительные — по полю, отрицательные — против поля (рис. 142, а). На одном конце проводника будет скапливаться избыток положительного заряда, на другом — избыток отрицательного. Эти заряды называются нндуцираванными. Процесс будет происходить да тех пор, пока напряженность паля внутри проводника не станет равной нулю, а линии напряженности вне проводника— перпендикулярными его поверхности (рис. 142, б).
Таким образом, нейтралюплй проводник, внесенный в электростатнче. ское поле, разрывает часть линий напряженности; они заканчиваются на отрицательных индуцированных зарядах и вновь начинаются на положительных. Индуцированные заряды распределяются на внешней поверхности проводника. Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией. 3 Э.<ектрнчсгтвп и *~<<с<р< <п<~ не<к <и Из рис. 142, б следует, что индуцнрованные заряды появляются на проводнике вследствие смещения нх под действием поля, ь е.
и является поверхностной плотностью смещенных зарядов По (92 1), электрическое смещение 0 вблизи проводника численно равно поверхностной плотности смещенных зарядов. Поэтому вектор 0 получил название вектора электрического сме<цения. Так как в состоянии равновесия внутри проводника заряды отсутствуют, то создание внутри него полости не повлияет на конфигурацию расположения зарядов и тем самым на электростатическое поле.
Следовательно, внутри полости поле будет отсутствовать. Если теперь этот проводник с полостью заземлить, то потенциал во всех точках полости будет нулевым, т. е. полость полностью изолирована от влияния внешних электростатических полей. На этом основана электростатическая защита — зкранирование тел, например измерительных приборов, от влияния внешних электростатических полей. Вместо сплошного проводника для защиты может быть использована густая металлическая сетка, которая, кстати, явлнется эффективной при наличии не только посзоянных, но и переменных злектриче< кнх полей Свойство зарпдов располагаться нв внешней поверхности проводника используется для устройства электростатических генераторов, предназначенных для накопления больших зарядов и достижения разности потенциалов в несколько миллионов вольт.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
