Ανδρέας Ιωάννου Κασσέτας

Μονωτής σε ηλεκτρικό πεδίο

ο Μικρόκοσμος των ΜΟΝΩΤΩΝ

Στους μονωτές δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια για να «μεταναστεύουν» από το ένα άκρο του σώματος στο άλλο άκρο, ούτε και κανενός είδους άλλοι ευκίνητοι φορείς. Είναι όμως δυνατόν να γίνονται προσανατολισμοί των ηλεκτρικών φορτίων που υπάρχουν στα μόρια. Κάθε ουδέτερο μόριο περιέχει ίσες ποσότητες θετικού και αρνητικού ηλεκτρικού φορτίου. Μέσα στο μόριο η κατανομή θετικού και αρνητικού φορτίου μπορεί να είναι συμμετρική όπως στο μόριο του οξυγόνου μπορεί όμως να είναι και ασύμμετρη όπως στο μόριο του χλωρίου και στο μόριο του νερού. Σε αυτή την περίπτωση το μόριο ισοδυναμεί με ηλεκτρικό δίπολο.

Το φαινόμενο «ΠΟΛΩΣΗ ΤΟΥ ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ»

Όταν ένα μονωτικό σώμα βρεθεί σε ηλεκτρικό πεδίο τα μόριά του εάν είναι πολικά προσανατολίζονται ως ηλεκτρικά δίπολα. Ένα παρόμοιο αλλά «ορατό» επεισόδιο είναι αυτό που συμβαίνει με μαγνητικές βελόνες σε μαγνητικό πεδίο. Εάν τα μόρια του σώματος δεν είναι πολικά, το ηλεκτρικό πεδίο επιδρώντας πάνω τους τείνει να διαχωρίσει το θετικό φορτίο από το αρνητικό με συνέπεια το μόριο να μετατρέπεται πρόσκαιρα σε ηλεκτρικό δίπολο και να προσανατολίζεται κατά την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου.

Σε κάθε περίπτωση έχουμε ένα ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ που λέγεται ΠΟΛΩΣΗ ΤΟΥ ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ.

Ανάλογο φαινόμενο έχουμε κατά την επίδραση μαγνητικού πεδίου σε σιδηρορινίσματα.

Τελικά στην επιφάνεια του μονωτή εμφανίζεται θετικό και αρνητικό φορτίο σε ίσες ποσότητες με αποτέλεσμα το αρχικό ηλεκτρικό πεδίο να παραμορφώνεται. Τα φορτία που κάνουν την εμφάνισή τους κατά την πόλωση λέγονται χαρακτηρίζονται δέσμια , για να μπορεί να γίνεται η διάκριση από τα άλλα φορτία τα λεγόμενα ελεύθερα.

Όπως και στην περίπτωση «αγωγού σε ηλεκτρικό πεδίο» το αρχικό πεδίο παραμορφώνεται αλλά η ομοιότητα σταματάει εδώ. Ενώ στον αγωγό η ένταση του πεδίου στο εσωτερικό του είναι μηδέν και δεν υπάρχουν δυναμικές γραμμές που να τον διασχίζουν, στους μονωτές το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο είναι απλώς εξασθενημένο. Αυτό συμβαίνει διότι τα ηλεκτρικά δίπολα δημιουργούν πεδίο αντίθετης φοράς. Υπάρχουν πάντα δυναμικές γραμμές που διασχίζουν τους μονωτές γι αυτό και οι μονωτές λέγονται διηλεκτρικά.

Για να περιγράψει το φαινόμενο ΠΟΛΩΣΗ των διηλεκτρικών η Φυσική εισάγει και τις έννοιες/διανυσματικά μεγέθη ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΜΕΤΑΤΟΠΙΣΗ και ΠΟΛΩΣΗ.

Και η μεν διηλεκτρική μετατόπιση προσδιορίζεται από τη σχέση ∮D.dA = q_{ελεύθερα} .

Η παρουσία του διηλεκτρικού μειώνει την ένταση Ε κατά τον παράγοντα ε

Ε_ολ = Ε_ελ/ε άρα και q_ολ = q_ελ/ε οπότε ∮D.dA = εq_ολικό= εε₀∮Ε.dA οπότε D = εε₀Ε

Η έννοια/ διανυσματικό μέγεθος «πόλωση του διηλεκτρικού» δεν πρέπει να συγχέεται με τη συνονόματη έννοια/ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ . Είναι διανυσματικό μέγεθος με τις ίδιες διαστάσεις με την D και ορίζεται από τη σχέση Ρ= ε₀(ε-1)Ε, έτσι ώστε η τιμή της απουσία διηλεκτρικού να είναι μηδενική.

Μονωτής σε φορτισμένο ΠΥΚΝΩΤΗ

Αν μεταξύ των οπλισμών ενός επίπεδου πυκνωτή χωρητικότητας C βάλουμε ένα μονωτικό – όπως λόγου χάρη χαρτί – θα συμβεί πόλωση και τα μόρια του χαρτιού θα συμπεριφέρονται ως ηλεκτρικά δίπολα

Το ηλεκτρικό πεδίο θα εξασθενίσει κατά η αρχική τιμή του θα διαιρεθεί με τον αριθμό ε , τη διηλεκτρική σταθερά του χαρτιού.

Εφόσον το χαρτί «γεμίζει» τον μεταξύ των δύο οπλισμών

χώρο η τιμή της χωρητικότητας θα πολλαπλασιαστεί

επί τον αριθμό ε C= εC₀

Σύμφωνα με τον νόμο του Gauss Ε/ε. Α = q/ε₀

άρα V/dε.Α = q/ε0 άρα q/ V = C = ε₀εΑ/d

Το φαινόμενο «ΕΛΞΗ του ήλεκτρου»

Μπορούμε έτσι να δώσουμε μία εξήγηση στο «πρωταρχικό φαινόμενο» από το οποίο κατάγεται ο ηλεκτρομαγνητισμός, την έλξη που ασκεί το ήλεκτρο σε μικρής μάζας αντικείμενα – όπως σε ένα χαρτάκι για παράδειγμα - εφόσον έχει προηγουμένως τριφτεί με ένα κομμάτι ύφασμα. Το τρίψιμο διευκολύνει μία μετακίνηση ηλεκτρονίων από το ύφασμα προς το ήλεκτρο το οποίο έτσι αποκτά φορτίο αρνητικό. Τα ερωτήματα είναι δύο . Το πρώτο: γιατί εκδηλώνεται έλξη αφού το χαρτάκι δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο. Το δεύτερο: Γιατί η δύναμη είναι πάντα ελκτική. Το μικρό χαρτάκι είναι μονωτής και όταν βρεθεί στο ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργεί το φορτίο του ήλεκτρου προκαλείται συσσώρευση θετικού φορτίου στην πλευρά που βρίσκεται κοντά στο ήλεκτρο και αρνητικού στην απέναντι. Το θετικά φορτισμένο άκρο έλκεται από το φορτίο του ήλεκτρου ενώ το αρνητικά φορτισμένο απωθείται. Οι δύο όμως δυνάμεις δεν έχουν ίσα μέτρα λόγω των διαφορετικών αποστάσεων. Η ελκτική όμως δύναμη είναι μεγαλύτερη και επικρατεί.

Το εννοιακό αντικείμενο “ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΔΙΠΟΛΟ”

Τι είναι Κάθε σύστημα δύο σημειακών ηλεκτρικών φορτίων +q, - q λέγεται ηλεκτρικό δίπολο.

Ποιο είναι το βασικό στοιχείο ταυτότητας

Σε κάθε ηλεκτρικό δίπολο αντιστοιχεί μια ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΡΟΠΗ. Είναι έννοια /μέγεθος διανυσματικό με μέτρο το γινόμενο του θετικού φορτίου επί την απόσταση των δύο σημειακών φορτίων q.ℓ

Τι δημιουργεί

Κάθε ηλεκτρικό δίπολο είναι πηγή ηλεκτρικού πεδίου. Στα σημεία

του μεσοκάθετου επιπέδου η ένταση είναι παράλληλη προς τον

άξονα του διπόλου και το – ως προς άπειρο – δυναμικό είναι μηδέν

Τι υφίσταται

Αν ένα ηλεκτρικό δίπολο βρεθεί σε ομογενές ηλεκτρικό πεδίο ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΖΕΤΑΙ έτσι ώστε η ηλεκτρική του ροπή να είναι ομόρροπη με το πεδίο. Αν βρεθεί ακίνητο με την ηλεκτρική του ροπή παράλληλη και ομόρροπη με την ένταση του πεδίου θα ακινητεί και θα βρίσκεται σε θέση ευσταθούς ισορροπίας. Η τιμή της δυναμικής του ενέργειας θα είναι ελάχιστη. Αν βρεθεί ακίνητο με την ηλεκτρική του ροπή παράλληλη και αντίρροπη με την ένταση του πεδίου θα βρίσκεται σε θέση ασταθούς ισορροπίας και η τιμή της δυναμικής του ενέργειας θα είναι μέγιστη.

Φορτισμένος αγωγός

σε ηλεκτροστατική ισορροπία

Στο εσωτερικό του αγωγού η ένταση του πεδίου είναι μηδενική

Ηλεκτρικό φορτίο εκδηλώνεται μόνο στην επιφάνειά του

Στην επιφάνεια του σφαιρικού αγωγού η ένταση Ε = σ/ε₀ = 1/4πε₀ Q/R²

Το δυναμικό του πεδίου είναι κοινό σε όλα τα σημεία

και λέγεται ΔΥΝΑΜΙΚΟ του αγωγού

Το πηλίκο του φορτίου ενός αγωγού προς το δυναμικό του λέγεται

ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ του αγωγού C = Q/V

Η ενέργεια φορτισμένου αγωγού U = ½ CV² = ½ Q²/C

Σε περίπτωση που βρίσκεται στο κενό και είναι σφαιρικός ακτίνας R,

η χωρητικότητα του αποδεικνύεται ίση με 4πε₀R

Αν ο αγωγός βρεθεί σε περιβάλλον μονωτή η χωρητικότητά του γίνεται ε φορές μεγαλύτερη

Αν ο αγωγός βρεθεί σε ηλεκτρικό πεδίο οι δυναμικές γραμμές δεν τον διασχίζουν, όπως θα συνέβαινε εάν ήταν μονωτής.

Αν δύο αγωγοί έλθουν σε αγώγιμη επαφή λαμβάνει χώρα μετακίνηση φορτίου από τον αγωγό με το μεγαλύτερο δυναμικό προς εκείνον με το μικρότερο και τελικά αποκαθίσταται ΚΟΙΝΟ ΔΥΝΑΜΙΚΟ και η ενέργεια του συστήματος υποβαθμίζεται