background image

 

 

Potencjał elektryczny

Ile pracy trzeba wykonać aby przenieść ładunek q w 
polu elektrostatycznym pomiędzy punktami a i b?

a

b

q

F

r

d

r

d

F

b

a

W

b

a

 )

(

praca jest wykonywana 

przeciw

 siłom elektrycznym

r

d

E

r

d

q

F

q

b

a

W

b

a

b

a

 )

(

Praca wykonana przy przeniesieniu jednostkowego ładunku

background image

 

 

r

d

E

r

r

)

(

Potencjał pola w punkcie określonym wektorem      
względem punktu znajdującego się w nieskończoności      

r

Funkcję  nazywamy potencjałem związanym z polem 
wektorowym     . Jest to funkcja skalarna zależna od położenia 
punktu – pole skalarne. Zadając pole wektorowe      możemy 
wyznaczyć potencjał z dokładnością do stałej.

E

E

background image

 

 

b

a

b

r

r

b

a

b

a

b

a

b

r

q

r

r

q

r

q

r

d

r

q

r

d

r

r

r

q

r

d

r

r

r

q

b

a

0

0

0

2

0

2

0

2

0

4

1

1

4

1

4

4

0

cos

4

4

















 

W przypadku pola wytworzonego przez ładunek punktowy

W przypadku pola wytworzonego przez układ ładunków punktowych

i

bi

i

b

r

q

0

4



background image

 

 

Powierzchnia ekwipotencjalna           powierzchnia jednakowego 
potencjału 
zbiór wszystkich punktów, w których potencjał pola 
elektrostatycznego ma taką samą wartość. 
Powierzchnie ekwipotencjalne są powierzchniami prostopadłymi w 
każdym punkcie do linii sił pola. Powierzchnie ekwipotencjalne są 
sferami o środkach znajdujących się w punkcie, w którym znajduje 
się ładunek. 

+q

-Q

dla ładunków punktowych

background image

 

 

Własności elektryczne ciał zależne są od ruchliwości nośników 
ładunku – elektronów, jonów.

Jak wygląda pole wewnątrz przewodnika po ustaleniu się 
stacjonarnego rozkładu ładunków?

Rozkład stacjonarny           wszystkie siły się równoważą         
jeśli na nośniki ładunku działają siły niekulombowskie, to 
oznacza, że w przewodniku istnieje pewne skończone pole 
elektryczne znoszące działanie innych sił.

Jednorodny izotropowy przewodnik  -  pole 

musi znikać

 

wewnątrz takiego przewodnika.

Przewodniki prądu w polu 

elektrostatycznym

background image

 

 

Ładunki zostały uwolnione i zaczynają się poruszać. Ruch 
ładunków będzie trwał do osiągnięcia stanu równowagi – 
nie przesuwają się poza powierzchnię przewodnika. 
Wewnątrz wytwarza się pole kompensujące pole 
początkowe

Elektrycznie obojętne, nieprzewodzące ciało zawiera 
unieruchomione ładunki dodatnie i ujemne.
Pole elektryczne jest jednakowe wewnątrz ciała i poza nim.

background image

 

 

Stan równowagi – pole 
wewnątrz przewodnika musi 
znikać – gdyby tak nie było 
ładunki poruszałyby się nadal (F 
= qE).

Potencjał może zmienić się 
gwałtownie na powierzchni 
przewodnika – skok potencjału – 
na zewnątrz E  0.

const

E

0

Powierzchnia przewodnika             powierzchnia ekwipotencjalna

background image

 

 

Funkcja potencjału wewnątrz pudła musi spełniać równanie 
Laplace’a. Powierzchnia pudła jest ekwipotencjalna, 

p

 = const. 

Funkcja  = 

b

 w całym rozpatrywanym obszarze spełnia warunek 

brzegowy i równanie Laplace’a. Ze względu na twierdzenie o 
jednoznaczności nie może być innych rozwiązań 

0

E

grad

E

-

-

+

+

+

+

-

-

-

-

Wewnątrz puszki wykonanej z 
przewodnika brak jest pola 
elektrycznego – ekranowanie 
elektryczne.

background image

 

 

Dielektryki

Dielektryk (izolator) – materiał nie przewodzący prądu elektrycznego
dokładniej – przewodzi prąd o 10

15

 – 10

20

 razy słabiej od przewodników.

+

-

dielektryk

1

0

C

C

stała dielektryczna

background image

 

 

Pojemność kondensatora

Jeśli okładki kondensatora są odłączone od źródła napięcia Q = 
const

U

Q

U

C

U

C

CU

U

C

CU

Q

0

0

0

0

0

0

U

napięcie na 
kondensatorze zmaleje ε 
razy

Dla kondensatora płaskiego

0

E

E

d

U

E

natężenie pola 
elektrycznego maleje ε 
razy
Dlaczego?

background image

 

 

+
+
+
+
+

-
-
-
-
-

Na powierzchni dielektryka muszą wystąpić ładunki wytwarzające 
pole elektryczne w przeciwnym kierunku – 

ładunki polaryzacyjne

  

(związane)

przewodnik
(ładunki swobodne)

-

-

-

+

+

+

E

0

E

natężenie pola w pustym kondensatorze

0

0

E

gęstość 
powierzchniowa 
ładunków swobodnych

0

p

E

gęstość 
powierzchniowa 
ładunków 
polaryzacyjnych

0

0

0

p

p

E

E

E

E

e

p

0

1

 

podatność 
elektryczna 
dielektryka

background image

 

 

E

e

p

0

Przyczyną pojawienia się ładunku polaryzacyjnego na 
powierzchni dielektryka jest zjawisko 

polaryzacji dielektryka.

Wektor polaryzacji

i

ei

p

V

P

1

elektryczny 
moment dipolowy

background image

 

 

Dipol elektryczny – układ dwóch ładunków 
punktowych różnoimiennych, q

1

 = q

2

 =q

Wartość momentu dipolowego takiego 
układu 

Moment dipolowy rozkładu ładunków

ql

p

p

i

i

i

r

q

p

Jeżeli wektory momentów dipolowych wszystkich atomów 
(cząsteczek) są jednakowe, to wektor polaryzacji

e

e

p

n

p

n

V

P

0

1

liczba atomów (cząsteczek) w 
jednostce objętości - koncentracja

background image

 

 

+
+
+
+
+

-
-
-
-
-

Wewnątrz dielektryka sumaryczny ładunek Q = 
0. W każdej warstwie przypowierzchniowej 
wartość ładunku

l

l

qn

S

Q

Sl

qn

Q

p

p

p

0

0

e

p

p

n

0

p

e

p

n

P

0

Bezwzględna wartość gęstości ładunku polaryzacji = polaryzacji

E

P

e

0

gdy wektory         są zgodne  

P

E

,

background image

 

 

E

D

0



wektor indukcji elektrycznej

Trzy wektory pola elektrycznego

E

E

P

E

P

0

0

0

1



E

E

P

0

0



background image

 

 

Wektor indukcji elektrycznej wiąże się z ładunkiem swobodnym – 
linie wektora      zaczynają się i kończą na ładunkach swobodnych

Wektor polaryzacji wiąże się wyłącznie z ładunkiem 
polaryzacyjnym. Linie wektora        zaczynają się i kończą na 
ładunkach polaryzacyjnych. Zwrot wektora        - od ładunku 
ujemnego do dodatniego (jak w każdym dipolu)

Wektor        związany jest z całkowitym ładunkiem – swobodnym i 
polaryzacyjnym.

+  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +

-  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -

-    -    -    -    -    -    -    -    -    -    -    -    -    -

+    +    +    +    +    +    +    +    +    +    +    +    +    +

D

E

0

P

D

P

P

E

background image

 

 

Dielektryki niepolarne w jednorodnym 
polu elektrycznym – polaryzacja 
elektronowa

Rozważmy symetryczną cząsteczkę wodoru H

2

H

H

background image

 

 

r

E

r

eE

F

r

e

F

e

,

4

2

0

2



oddziaływanie 
między protonem i 
elektronem

działanie pola 
zewnętrznego na 
elektron

e

F

F

r

l

2

2

0

4

e

r

eE

r

l



3

0

4

Er

p

el

e



indukowany moment dipolowy

l

r



background image

 

 

Dielektryki polarne w jednorodnym polu 
elektrycznym – polaryzacja orientacyjna

Zewnętrzne pole elektryczne 
powoduje takie ustawienie 
cząsteczek dielektryka, aby ich 
moment dipolowy był  zgodny z 
kierunkiem pola elektrycznego.
Ruch cieplny cząsteczek 
przeciwdziała takiemu ustawieniu.

Można wykazać, że wektor polaryzacji dielektryka polarnego

T

k

E

p

n

P

B

e

3

2

0

k

B

 = stała Boltzmanna 

background image

 

 

Ferroelektryki

Charakteryzują się:
• dużą przenikalnością dielektryczną,  np. tytanian baru (BaTiO

3

) – 

ε = 5900 
• nieliniową zależnością polaryzacji od przyłożonego pola 
elektrycznego
• wartości polaryzacji (a więc i D) zależą od historii dielektryka, 
przy cyklicznych zmianach pola P(E) ma kształt pętli 

histerezy

background image

 

 

pole E < 0     P = 0 dla E = E

c

  pole 

koercji

wzrasta pole E - polaryzacja rośnie 

1

1

maleje pole E – polaryzacja 
maleje 

2

2

pole E = 0 – 

P = Ps

 polaryzacja spontaniczna

dalsza zmiana pola E  - P zmienia się tak jak na krzywej 

3

3

Polaryzacja początkowa = 0.

background image

 

 

Własności ferroelektryczne kryształów obserwuje się w pewnych 
temperaturach – zanikają powyżej tzw. 

temperatury Curie

W ferroelektrykach istnieją spontanicznie spolaryzowane 
obszary – domeny. Po wprowadzeniu ferroelektryka w pole 
elektryczne następuje zmiana orientacji momentów 
dipolowych domen i kryształ uzyskuje trwałą polaryzację. 

background image

 

 

Elektrety

Dielektryki wykazujące trwałą polaryzację elektryczną – 
odpowiednik trwałych magnesów.

Wewnętrzna 
struktura 
elektretu

P

Można je wytworzyć z dielektryków 
polarnych, których cząsteczki mają duży 
moment dipolowy. 
Dielektryk ogrzany do wysokiej 
temperatury, nawet powyżej topnienia, 
umieszcza się w silnym polu elektrycznym 
i ochładza.
Polaryzacja istniejąca w wysokiej 
temperaturze zostaje w dielektryku 
utrwalona, nawet po wyłączeniu pola.
Elektrety wykorzystuje się np. w 
mikrofonach elektretowych.

background image

 

 

Piezoelektryki

Zjawisko piezoelektryczne – powstawanie polaryzacji pod 
wpływem odkształceń mechanicznych.
Odwrotne zjawisko piezoelektryczne – kryształy zmieniają swoje 
rozmiary pod wpływem pola elektrycznego.

+

+

+

-

-

-

Całkowity moment 
dipolowy = 0

+

+

+

-

-

-

Odkształcenie mechaniczne,  
całkowity moment dipolowy 
 0

+

+

+

-

-

-

background image

 

 

Przyłożenie zewnętrznego pola powoduje odkształcenie 
cząsteczek – wydłużenie lub skrócenie kryształu w kierunku 
pola.
Przyłożenie 

zmiennego napięcia

 powoduje pobudzenie 

piezoelektryka do 

drgań mechanicznych

Amplituda tych drgań jest maksymalna (rezonans) gdy 
częstość zmian napięcia = częstości drgań własnych kryształu.

Zastosowania:
• wytwarzanie ultradźwięków,
• stabilizacja częstości drgań w układach elektronicznych

Piroelektryki


Document Outline