Диэлектрическая проницаемость вещества
Некоторые вещества могут ослаблять взаимодействие зарядов.
Вещества, ослабляющие взаимодействие заряженных частиц, называют изолирующими веществами, или диэлектриками.
Для пояснения рассмотрим электрические свойства дистиллированной воды.
Расположим в вакууме два положительных заряда на некотором расстоянии один от другого, они будут отталкиваться Кулоновскими силами.
Затем, не меняя заряды и расстояние между ними, переместим их в дистиллированную воду. Мы обнаружим, что в воде они будут отталкиваться слабее в 81 раз (рис. 1).
Рис. 1. Два положительных заряда, расположенных на расстоянии r в дистиллированной воде, отталкиваются в 81 раз слабее, чем в вакууме
В нижней части рисунка силы отталкивания зарядов в воде обозначены короткими синими векторами. Длина этих векторов должна быть в 81 раз меньше, чем длина векторов сил в вакууме в верхней части рисунка. Однако, векторы имеют большую длину на рисунке, чем в реальности, так как, если их уменьшить в нужное число раз, то их невозможно будет рассмотреть.
Диэлектрическая проницаемость \(\large \varepsilon\) описывает изолирующие свойства диэлектриков. Она показывает, во сколько раз внутри вещества — диэлектрика ослабляется взаимодействие зарядов.
\[\large \boxed { \varepsilon = \frac{F_{\text{вакуум}}}{ F_{\text{вещество}}} } \]
Ослабление взаимодействия происходит за счет ослабления напряженности электростатического поля в диэлектрике.
\[\large \boxed { \varepsilon = \frac{\overrightarrow{E_{\text{вакуум}}}}{\overrightarrow{E_{\text{вещество}}}} } \]
Диэлектрическая проницаемость некоторых веществ
Вы можете использовать данные таблички для решения большинства школьных задач физики.
Табличка 1. Диэл. проницаемости некоторых твердых веществ
Для некоторых веществ значения проницаемости округлены. К примеру, существуют стекла, имеющие значение проницаемости 6,0, и в то же время, проницаемость некоторых стекол может достигать значения 10,0. А в таблице для стекла указано среднее значение 8,0.
Табличка 2. Диэл. проницаемости некоторых жидкостей
Чтобы осуществить более серьезные расчеты, не относящиеся к учебным, пожалуйста, воспользуйтесь специализированными справочниками.
Примечания[править | править код]
- CODATA Value: electric constant. The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. US National Institute of Standards and Technology. June 2015. Retrieved 2015-09-25. 2014 CODATA recommended values.
- Fedosin S.G. The Force Vacuum Field as an Alternative to the Ether and Quantum Vacuum. WSEAS Transactions on Applied and Theoretical Mechanics, ISSN / E-ISSN: 1991-8747 / 2224-3429, Volume 10, Art. #3, pp. 31-38 (2015); статья на русском языке: Силовое вакуумное поле как альтернатива эфиру и квантовому вакууму.
- Fedosin S.G. The charged component of the vacuum field as the source of electric force in the modernized Le Sage’s model. Journal of Fundamental and Applied Sciences, Vol. 8, No. 3, pp. 971-1020 (2016). https://dx.doi.org/10.4314/jfas.v8i3.18, https://dx.doi.org/10.5281/zenodo.845357. // Заряженная компонента вакуумного поля как источник электрической силы в модернизированной модели Лесажа.
Выражение через параметры вакуумного поля[править | править код]
В концепции силового вакуумного поля [2] предполагается, что электрогравитационный вакуум заполнен потоками частиц, создающих гравитационные и электромагнитные силы между телами. В частности, за возникновение силы Кулона между зарядами считаются ответственными потоки заряженных частиц – праонов, движущихся с релятивистскими скоростями и передающих свой импульс заряженному веществу.
В модели кубического распределения потоков праонов для электрической постоянной получается следующее: [3] ε 0 = e 2 6 p q D 0 q ϑ 2 = e 2 ε c q ϑ 2 . ~ \varepsilon_0 = \frac {e^2}{6 p_q D_{0q} \vartheta^2 }= \frac { e^2} {\varepsilon_{cq}\vartheta^2 } .
Здесь p q ~ p_q есть импульс праонов, взаимодействующих с заряженным веществом; мощность флюенса D 0 q ~ D_{0q} обозначает количество праонов dN, попавших за время dt на перпендикулярную потоку площадь dA одного из граней некоторого куба, ограничивающего рассматриваемый объём; ϑ = 2 , 67 ⋅ 10 − 30 ~ \vartheta = 2,67 \cdot 10^{-30} м² представляет собой сечение взаимодействия праонов с нуклонами; e ~ e – элементарный заряд; ε c q = 4 ⋅ 10 32 ~ \varepsilon_{cq}= 4 \cdot 10^{32} Дж/м³ – плотность энергии потоков праонов для кубического распределения.
В модели сферического распределения потоков праонов в пространстве: ε 0 = e 2 16 π p q B 0 q ϑ 2 = 3 e 2 2 ε s q ϑ 2 , ~ \varepsilon_0 = \frac {e^2}{16\pi p_q B_{0q} \vartheta^2} = \frac { 3e^2}{2 \varepsilon_{sq} \vartheta^2},
где мощность флюенса B 0 q ~ B_{0q} обозначает количество праонов dN, попавших за время dt из единичного телесного угла d α d{\alpha} внутрь сферической поверхности dA; ε s q = 6 ⋅ 10 32 ~ \varepsilon_{sq} = 6 \cdot 10^{32} Дж/м³ – плотность энергии потоков праонов для сферического распределения.
Отсюда следует, что электрическая постоянная является динамической переменной, зависящей от параметров частиц вакуумного поля.
Постоянный электрический ток
Постоянным электрическим током называют направленное упорядоченное движение элементарных (материальных) частиц, несущих электрические заряды. При этом в металлах (металлических проводниках), а также в вакууме движутся отрицательно заряженные частицы — электроны, а в жидкостях (растворах солей и кислот) — как отрицательно, так и положительно заряженные материальные частицы — ионы, перемещающиеся в противоположных направлениях (навстречу друг другу). В разреженных газах электрический ток может осуществляться движением как электронов, так и ионов.
Постоянный ток — не изменяется во времени, т. е. постоянен по направлению и величине. За направление постоянного тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Отсюда следует, что в металлических проводниках, а также в вакууме и в газах направление тока принимается противоположным направлению движения электронов.
Простейшие цепи постоянного тока. Простейшая цепь постоянного электрического тока состоит из следующих элементов: источника электроэнергии; электроприемника (потребителя энергии); проводов.
Кроме того, в цепь тока обычно включаются измерительные приборы и те или иные аппараты для включения и отключения тока.
Изображение электрической цепи с помощью условных графических обозначений называют электрической схемой (рис. 1.1). Всякий источник электроэнергии обладает электродвижущей силой (ЭДС), под воздействием которой в нем возникает движение элементарных частиц, несущих электрические заряды, и создается разность потенциалов на его полюсах. Электродвижущая сила обозначается латинскими буквами Е или е.
Разность электрических потенциалов между полюсами источника тока, под действием которой во внешней цепи протекает электрический ток, называется электрическим напряжением, действующим в данной цепи. Напряжение обозначается латинской буквой U. Единица измерения ЭДС и напряжения — вольт (В). Приборы для их измерения называют вольтметрами.
Сила электрического тока обозначается буквой / и измеряется в амперах (А). Прибор для измерения силы тока называют амперметром.
Электрический ток может протекать по цепи только, когда она замкнута, т.е. когда обеспечен непрерывный путь для электрических зарядов от «плюса» источника тока до «минуса» (см. рис. 1.1). Поэтому в данном случае для того, чтобы в цепи появился ток, необходимо замкнуть выключатель 5. Наличие тока в цепи обнаружится по загоранию электрической лампы 4 и показанию амперметра 3. Значение напряжения в цепи определяется по показанию вольтметра 2. Если разомкнуть выключатель 5 и этим разорвать электрическую цепь, ток в ней прекратится, лампа погаснет, стрелка амперметра станет на нуль.
Работа и мощность постоянного тока. Мощность постоянного электрического тока определяется произведением напряжения U, действующего в цепи, на ток I, протекающий по цепи. Единица измерения мощности — ватт (Вт).
Мощность обозначается буквой Р и определяется по формуле
Р =UI. (1.1)
При измерении напряжения в вольтах, а тока в амперах величина мощности выразится в ваттах.
Работа электрического тока (Л), равная количеству затраченной за данное время электрической энергии, определяется по формуле
A= Pt= UIt (1.2)
где Р — мощность постоянного электрического тока, Вт; t — время, в течение которого эта мощность отдавалась, с; U — напряжение, действующее в цепи, В; I — сила тока, А.
Работа электрического тока, определяемая по формуле (1.2), выражается в джоулях (Дж) или киловатт-часах (кВт ч). Легко подсчитать, что 1 кВтч равен 3600000 Дж.
Применение[править | править код]
Электрическая постоянная появляется в вакуумных уравнениях Максвелла, описывающих свойства электрических и магнитных полей, а также электромагнитного излучения, и связывает поля с их источниками.
В веществе используются материальные уравнения электромагнитного поля, при этом вектор электрической индукции D
выражается через электрическую постоянную, вектор напряжённости электрического поля
E
и вектор электрической поляризации
P
: D = ε 0 E + P . \mathbf{D} = \varepsilon_0 \ \mathbf{E} + \mathbf{P}.
Как правило можно считать, что P = ε 0 χ E \mathbf P = \varepsilon_0 \chi \mathbf E , где величина χ \chi представляет собой тензор и называется электрической поляризуемостью. Данное выражение означает, что вектор электрической поляризации как некоторая реакция вещества порождается вектором напряжённости электрического поля в веществе, причём направления этих векторов могут не совпадать.
В слабом поле величина χ \chi имеет особое название диэлектрическая восприимчивость и является почти постоянной, зависящей от типа вещества и его состояния. В этом случае можно записать: D = ε 0 E + ε 0 χ E = ε 0 ( 1 + χ ) E = ε 0 ε r E = ε a E . \mathbf{D} = \varepsilon_0 \ \mathbf{E} + \varepsilon_0 \chi \mathbf E= \varepsilon_0 (1+\chi) \mathbf E= \varepsilon_0 \varepsilon_r \mathbf E= \varepsilon_a \mathbf E.
Произведение электрической постоянной на относительную диэлектрическую проницаемость ε r \varepsilon_r в этом выражении называется абсолютной диэлектрической проницаемостью ε a \varepsilon_a .
Электрическая постоянная входит в запись закона Кулона, дающего выражение для силы, действующей между двумя электрическими зарядами: F 12 = q 1 q 2 4 π ε 0 r 12 2 r 12 r 12 , \mathbf{F}_{12}=\frac{q_1 q_2}{4\pi\varepsilon_0 r_{12}^2} \frac{\mathbf{r}_{12}}{r_{12}},
где r 12 r_{12} есть расстояние между зарядами q 1 q_1 и q 2 q_2 . Если r 12 \mathbf{r}_{12} есть вектор, направленный от заряда q 1 q_1 к заряду q 2 q_2 , то сила F 12 \mathbf{F}_{12} будет силой, действующей на заряд q 2 q_2 со стороны заряда q 1 q_1 . Из выражения для силы видно, что электрическая постоянная в системе физических единиц СИ связывает электрический заряд с механическими единицами, такими как сила и расстояние.
