Меню

Поляризация проводника с током

Поляризация проводника с током

Постоянный ток подчиняется общему правилу, что через любое сеченке проводника протекает одинаковый ток Еще более общее положение гласит, что при постоянном токе, распределенном в объеме, плотность тока нигде не имеет источников. В самом деле, если где-нибудь будет источник то там должно наблюдаться изменение плотности заряда во времеви, а, следовательно, и изменение поля Поэтому при постоянном токе всюду справедливы условия:

Таким образом на границе двух проводников мы имеем два пограничных условия: непрерывность нормальной составляющей и тангенциальной составляющей Отсюда следует, что при постоянном токе линии тока преломляются на границе двух проводников с электропроводностями так же, как и линии смещения на границе двух изоляторов с диэлектрическими постоянными если только равно (ср. рис. 32).

Непостоянный ток, какой, например, имеется при рассмотренном йами выше разряде конденсатора, вообще говоря, связан с изменением плотности варяда во времени. И притом, согласно теореме Гаусса, эта зависимость будет иметь вид

Но так как, с другой стороны, всегда то для тока, изменяющегося во времени, получим

Поэтому, если ввести

то всегда будут иметь место условия:

Ток проводимости дополняется током смещения до полного тока с, который нигде не имеет источников. Введение этого полного тока, свободного от источников, принадлежит Максвеллу. Позднее в общей электродинамике он будет иметь основное значение. Простой пример приложимости этого понятия дает тот же плоский конденсатор, коротко замкнутый проволокой: проходящий по проволоке ток проводимости

оканчивается на обкладке конденсатора. Если, с другой стороны, есть поверхность пластинки и поверхностная плотность ее заряда, то внутри изолятора существует смещение

В то время, как по проволоке проходит ток изменяется таким образом, что полный ток смещения в изоляторе будет

Он имеет ту же величину, что и ток проводимости в проволоке.

Последний находит в токе смещения свое продолжение внутри соприкасающегося с проводником изолятора; при этом истрчников на границе не наблюдается.

Для того, чтобы дать общую интерпретацию (114), всякому телу надо приписать одновременно электропроводность и диэлектрическую постоянную Тогда и с будет

Работа, совершаемая полем над полным током в единице объема за единицу времена, равна поэтому

С правой стороны она выступает как джоулево тепло и как увеличение энергии поля

В практических применениях те два слагаемых, из которых составляется с, имеют величину различного порядка. В абсолютных изоляторах существует только ток смещения. Наоборот, в металлических проводниках ток проводимости настолько велик по сравнению с током смещения, что последним, практически всегда можно пренебречь. Только при очень быстро изменяющихся полях (видимый свет или еще более короткие волны) ток смещения в металлах становится также заметным. Уравнения

позволяют решить вопрос, как происходит во времени растекание заряда, который существует в начале внутри проводника. Если рассматривать как постоянные, то, исключая получим

Величину называют временем релаксации. Это есть то время, по истечении которого плотность заряда уменьшается в раз.

Оно указывает также порядок величины того промежутка времени, который необходим, чтобы установилось электростатическое равновесие. Рассмотрим кое-какие численные примеры; здесь, правда, существует некоторая неопределенность, поскольку мы очень мало знаем о постоянной металлов. Однако, нет никакого основания думать, что у металлов порядок величины диэлектрической постоянной сильно отличается от 1. Мы найдем поэтому порядок величины времени релаксации, если удовлетворимся указанием величины

Таким образом для времени релаксации получаются чрезвычайно малые значения. Из результата больше ничего вывести нельзя,

так как для столь быстро переменных процессов феноменологический метод, применяемый в этой книге, теряет смысл. Наоборот, заслуживают внимания численные значения Они имеют размерность размерность частоты. Во всех формулах, которые описывают поведение металлов, по отношению к периодически переменным полям, решающее значение имеет отношение числа перемен поля к частоте, указываемой Обратим внимание на то, что частота ультрафиолетового света при длине волны достигает только

В токе смещения соединены, собственно, два совершенно различных элемента:

т. e. ток смещения в пустоте и ток поляризации. Согласно данному выше (§ 31) определению вектора кажется вполне естественным, что изменение во времени выступает как плотность тока. Именно, если изменяется на величину то по указанному определению это означает, что через элемент поверхности проходит количество электричества

Таким образом новым элементом, характерным для теории Максвелла, остается только ток смещения в пустоте Первоначальному пониманию Фарадея-Максвелла разложение на которое в настоящее время кажется вполне естественным, было совершенно чуждо. Прежде склонялись к воззрению, что в пустоте так же, как и в диэлектрике, имеются положительные и отрицательные заряды, связанные друг с другом квазиупругими силами, и соответственно этому толковали вектор как поляризацию пустоты. Обсуждение этого представления и предложения соответствующей модели эфира играли большую роль в истории электродинамики. Однако эти усилия оказались бесплодными. Только ток поляризации можно представлять себе как действительный перенос зарядов. Поэтому, если полный ток, не имеющий источников, написать в виде

то оба первые члена представляют действительный перенос зарядов, который третьим членом дополняется до вектора, поле которого не имеет источников.

Источник

ИНФОФИЗ — мой мир.

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

  • Главная
  • Мир физики
    • Физика в формулах
    • Теоретические сведения
    • Физический юмор
    • Физика вокруг нас
    • Физика студентам
      • Для рефератов
      • Экзамены
      • Лекции по физике
      • Естествознание
  • Мир астрономии
    • Солнечная система
    • Космонавтика
    • Новости астрономии
    • Лекции по астрономии
    • Законы и формулы — кратко
  • Мир психологии
    • Физика и психология
    • Психологическая разгрузка
    • Воспитание и педагогика
    • Новости психологии и педагогики
    • Есть что почитать
  • Мир технологий
    • World Wide Web
    • Информатика для студентов
      • 1 курс
      • 2 курс
    • Программное обеспечение компьютерных сетей
      • Мои лекции
      • Для студентов ДО
      • Методические материалы
  • Физика школьникам
  • Физика студентам
  • Астрономия
  • Информатика
  • ПОКС
  • Арх ЭВМ и ВС
  • Методические материалы
  • Медиа-файлы
  • Тестирование

Как сказал.

Вопросы к экзамену

Для всех групп технического профиля

Урок 26. Лекция 26. Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Конденсаторы.

По электрическим свойствам все вещества разделяют на два больших класса — вещества, которые проводят электрический ток (проводники) и вещества, которые не проводят электрический ток (диэлектрики, или изоляторы).

Мы знаем, что все вещества состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из заряженных частиц. Если внешнее поле вокруг вещества отсутствует, то его частицы распределяются так, что суммарное электрическое поле внутри вещества равно нулю. Если вещество поместить во внешнее электрическое поле, то поле начет действовать на заряженные частицы и они перераспределяться так, что в веществе возникнет собственное электрическое поле. Полное электрическое поле складывается из внешнего поля и внутреннего поля создаваемого заряженными частицами вещества.

Проводник — это тело или материал, в котором электрические заряды начинают перемещаться под действием сколь угодно малой силы. Поэтому эти заряды называют свободными.

В металлах свободными зарядами являются электроны, в растворах и расплавах солей (кислот и щелочей) — ионы.

Диэлектрик — это тело или материал, в котором под действием сколь угодно больших сил заряды смещаются лишь на малое, не превышающее размеров атома расстояние относительно своего положения равновесия. Такие заряды называются связанными.

Рассмотрим подробнее эти классы веществ.

Проводники в электрическом поле.

Проводниками называют вещества, проводящие электрический ток.

Типичными проводниками являются металлы.

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов ( в металлах это электроны), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника.

В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды. Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.

Явление перераспределения зарядов внутри проводника под действием внешнего электрического поля называется электростатической индукцией.

Читайте также:  Средства первой помощи при ожоге током

Заряды, появляющиеся на поверхности проводника, называются индукционными зарядами.

Индукционные заряды создают свое собственное поле , которое компенсирует внешнее поле во всем объеме проводника:

(внутри проводника).

Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.

Диэлектрики в электрическом поле.

Диэлектриками (изоляторами) называют вещества, не проводящие электрического тока.

В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные нескомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.

Связанные заряды создают электрическое поле , которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности внешнего поля . Этот процесс называется поляризацией диэлектрика.

Электрической поляризацией называют особое состояние вещества, при котором электрический момент некоторого объёма этого вещества не равен нулю.

В результате полное электрическое поле внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше внешнего поля .

Физическая величина, равная отношению модуля напряженности внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности полного поля в однородном диэлектрике , называется диэлектрической проницаемостью вещества.

Диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз напряженность поля в вакууме больше, чем в диэлектрике. Это величина безразмерная (нет единиц измерения).

При поляризации неоднородного диэлектрика связанные заряды могут возникать не только на поверхностях, но и в объеме диэлектрика. В этом случае электрическое поле связанных зарядов и полное поле могут иметь сложную структуру, зависящую от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем строго справедливо только в случае однородного диэлектрика, заполняющего все пространство, в котором создано внешнее поле. В частности:

Если в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд q, то напряженность поля , создаваемого этим зарядом в некоторой точке, и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме:

Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная, электронная и ионная поляризации. Ориентационная и электронная механизмы проявляются главным образом при поляризации газообразных и жидких диэлектриков, ионная — при поляризации твердых диэлектриков.

Если двум изолированным друг от друга проводникам сообщить заряды q1 и q2, то между ними возникает некоторая разность потенциалов Δφ, зависящая от величин зарядов и геометрии проводников.

Разность потенциалов Δφ между двумя точками в электрическом поле часто называют напряжением и обозначают буквой U.

Наибольший практический интерес представляет случай, когда заряды проводников одинаковы по модулю и противоположны по знаку: q1 = – q2 = q. В этом случае можно ввести понятие электрической емкости.

Электроемкостью (электрической емкостью) проводников называется физическая величина, характеризующая способность проводника или системы проводников накапливать электрический заряд.

Электроемкость находится как отношение заряда q одного из проводников к разности потенциалов Δφ между ними:


В системе СИ единица электроемкости называется фарад [Ф]:

Величина электроемкости зависит от формы и размеров проводников и от свойств диэлектрика , разделяющего проводники.

Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле оказывается сосредоточенным (локализованным) лишь в некоторой области пространства. Такие системы называются конденсаторами, а проводники, составляющие конденсатор, называются обкладками.

Простейший конденсатор – плоский конденсаторсистема из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика.

Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между пластинами; однако, вблизи краев пластин и в окружающем пространстве также возникает сравнительно слабое электрическое поле, которое называют полем рассеяния.

В целом ряде задач можно приближенно пренебрегать полем рассеяния и полагать, что электрическое поле плоского конденсатора целиком сосредоточено между его обкладками.

Электроемкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин (обкладок) и обратно пропорциональна расстоянию между ними .

Если пространство между обкладками заполнено диэлектриком, электроемкость конденсатора увеличивается в ε раз:

Примерами конденсаторов с другой конфигурацией обкладок могут служить сферический и цилиндрический конденсаторы.

Сферический конденсатор – это система из двух концентрических проводящих сфер радиусов R1 и R2.

Цилиндрический конденсатор – система из двух соосных проводящих цилиндров радиусов R1 и R2 и длины L.

Емкости этих конденсаторов, заполненных диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε, выражаются формулами:

— сферический конденсатор

— цилиндрический конденсатор

Для получения заданного значения емкости конденсаторы соединяются между собой, образуя батареи конденсаторов.

1) При параллельном соединении конденсаторов соединяются их одноименно заряженные обкладки.

Напряжения на конденсаторах одинаковы U1 = U2 = U, заряды равны q 1 = С 1 U и q 2 = С 2 U .

Такую систему можно рассматривать как единый конденсатор электроемкости C , заряженный зарядом q = q 1 + q 2 при напряжении между обкладками равном U . Отсюда следует или С = С1 + С2

Таким образом, при параллельном соединении электроемкости складываются.

2) При последовательном соединении конденсаторов соединяют разноименно заряженные обкладки

Заряды обоих конденсаторов одинаковы q1 = q2 = q, напряжения на них равны и

Такую систему можно рассматривать как единый конденсатор, заряженный зарядом q при напряжении между обкладками U = U1 + U2.

Следовательно, или

При последовательном соединении конденсаторов складываются обратные величины емкостей.

Формулы для параллельного и последовательного соединения остаются справедливыми при любом числе конденсаторов, соединенных в батарею.

Т.е. в случае n конденсаторов одинаковой емкости С емкость батареи

при параллельном соединении Собщ = nС

при последовательном соединении Собщ = С/n

Если обкладки заряженного конденсатора замкнуть металлическим проводником, то по цепи пойдет электрический ток, лампочка загорится и будет гореть до тех пор, пока конденсатор не разрядится. Значит, заряженный конденсатор содержит запас энергии.

Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор.

Процесс зарядки конденсатора можно представить как последовательный перенос достаточно малых порций заряда Δq > 0 с одной обкладки на другую.При этом одна обкладка постепенно заряжается положительным зарядом, а другая – отрицательным. Поскольку каждая порция переносится в условиях, когда на обкладках уже имеется некоторый заряд q, а между ними существует некоторая разность потенциалов

при переносе каждой порции Δq внешние силы должны совершить работу

Энергия We конденсатора емкости C, заряженного зарядом q, может быть найдена путем интегрирования этого выражения в пределах от 0 до q:

Формулу, выражающую энергию заряженного конденсатора, можно переписать в другой эквивалентной форме, если воспользоваться соотношением q = CU .

Электрическую энергию We следует рассматривать как потенциальную энергию, запасенную в заряженном конденсаторе.

По современным представлениям, электрическая энергия конденсатора локализована в пространстве между обкладками конденсатора, то есть в электрическом поле. Поэтому ее называют энергией электрического поля.

Источник

Контрольная работа: Взаимодействие проводников с током. Естественный и поляризованный свет

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТОРГОВО–ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

По дисциплине Физика

Исполнитель: студент 1 курса заочной формы

Сивко Елена Георгиевна

Рецензент: Сопит А.В.

г. Волгоград 2009 г.

1. Взаимодействие проводников с током. Закон Ампера. Работа по перемещению проводника в магнитном поле

Если близко один к другому расположены проводники с токами одного направления, то магнитные линии этих проводников, охватывающие оба проводника, обладая свойством продольного натяжения и стремясь сократиться, будут заставлять проводники притягиваться.

Магнитные линии двух проводников с токами разных направлений в пространстве между проводниками направлены в одну сторону. Магнитные линии, имеющие одинаковое направление, будут взаимно отталкиваться. Поэтому проводники с токами противоположного направления отталкиваются один от другого.

Рассмотрим взаимодействие двух параллельных проводников с токами, расположенными на расстоянии один от другого. Пусть длина проводников равна l .

Магнитная индукция, созданная током I1 на линии расположения второго проводника, равна

На второй проводник будет действовать электромагнитная сила

Магнитная индукция, созданная током I2 на линии расположения первого проводника, будет равна

Читайте также:  Регулировка тока подмагничивания в кассетных магнитофонах

и на первый проводник действует электромагнитная сила равная по величине силе F2

На электромеханическом взаимодействии проводников с током основан принцип действия электродинамических измерительных приборов; используемых в цепях постоянного и в особенности переменного тока.

Закон Ампера — закон взаимодействия постоянных токов. Установлен Андре Мари Ампером в 1820. Из закона Ампера следует, что параллельные проводники с токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположном — отталкиваются. Законом Ампера называется также закон, определяющий силу, с которой магнитное поле действует на малый отрезок проводника с током.

Сила , с которой магнитное поле действует на элемент объёма dV проводника с током плотности , находящегося в магнитном поле с индукцией :

Если ток течёт по тонкому проводнику, то , где — «элемент длины» проводника — вектор, по модулю равный dl и совпадающий по направлению с током. Тогда предыдущее равенство можно переписать следующим образом:

Сила , с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током, находящегося в магнитном поле, прямо пропорциональна силе тока I в проводнике и векторному произведению элемента длины проводника на магнитную индукцию :

Направление силы определяется по правилу вычисления векторного произведения, которое удобно запомнить при помощи правила левой руки.

Модуль силы Ампера можно найти по формуле:

где α — угол между векторами магнитной индукции и тока.

Сила dF максимальна когда элемент проводника с током расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции ( ):

Работа перемещения проводника с током в магнитном поле

Рассмотрим участок проводника с током, который может перемещаться в магнитном поле. Поле будем считать однородным и перпендикулярным к плоскости контура. Работа, совершенная силой DF при перемещении на Dx участка проводника Dl с током I, будет равна:

DA = DF×Dx = B×I×Dl×Dx = I×B×DS = I×dФ

В случае если поле неоднородно dA = I×dФ, где dФ — поток магнитной индукции пересекаемый проводником при движении.

Можно показать, что если В не перпендикулярно плоскости контура, то формула для расчета работы будет той же. Формула будет справедлива и для перемещения проводника с током любой формы, в том числе и замкнутого контура с током (в этом cлучае dФ — изменение потока, пересекающего контур). Она справедлива не только для прямолинейного перемещения, но и для перемещения любого типа.

Примечания: 1. Если контур перемещается в однородном поле таким образом, что поток его пересекающий остается неизменным, то работа не производится.

Работа по перемещению проводника с током совершается за счет энергии источника тока.

2. Естественный и поляризованный свет. Способы поляризации света. Закон Малюса. Закон Брюстера

Естественный и поляризованный свет

Следствием теории Максвелла является поперечность световых волн: векторы напряженностей электрического £ и магнитного Н полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости v распространения волны (перпендикулярно лучу). Поэтому для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов. Обычно все рассуждения ведутся относительно светового вектора — вектора напряженности Е электрического поля (это название обусловлено тем, что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества).

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов.

В данном случае равномерное распределение векторов Е объясняется большим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторов Е — одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения каждого из атомов. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е (и, следовательно, Н) называется естественным.

Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным. Так, если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное (но не исключительное!) направление колебаний вектора Е, то имеем дело с частично поляризованным светом. Свет, в котором вектор Е (и, следовательно, Н) колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу, называется плоскополяризованным (линейно поляризованным).

Способы поляризации света

Поляризация — для электромагнитных волн это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H. Когерентное электромагнитное излучение может иметь:

Линейную поляризацию — в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны;

Круговую поляризацию — правую либо левую, в зависимости от направления вращения вектора индукции;

Эллиптическую поляризацию — случай, промежуточный между круговой и линейными поляризациями.

Некогерентное излучение может не быть поляризованным, либо быть полностью или частично поляризованным любым из указанных способов. В этом случае понятие поляризации понимается статистически.

При теоретическом рассмотрении поляризации волна полагается распространяющейся горизонтально. Тогда можно говорить о вертикальной и горизонтальной линейных поляризациях волны.

Теория явления

Электромагнитная волна может быть разложена (как теоретически, так и практически) на две поляризованные составляющие, например поляризованные вертикально и горизонтально. Возможны другие разложения, например по иной паре взаимно перпендикулярных направлений, или же на две составляющие, имеющие левую и правую круговую поляризацию. При попытке разложить линейно поляризованную волну по круговым поляризациям (или наоборот) возникнут две составляющие половинной интенсивности.

Как с квантовой, так и с классической точки зрения, поляризация может быть описана двумерным комплексным вектором (вектором Джонса). Поляризация фотона является одной из реализаций q-бита.

Практическое использование

Свет солнца, являющийся тепловым излучением, не имеет поляризации, однако рассеянный свет неба приобретает частичную линейную поляризацию. Поляризация света меняется также при отражении. На этих фактах основаны применения поляризующих фильтров в фотографии и т. д.

Линейную поляризацию имеет обычно излучение антенн.

По изменению поляризации света при отражении от поверхности можно судить о структуре поверхности, оптических постоянных, толщине образца.

Если рассеянный свет поляризовать, то, используя поляризационный фильтр с иной поляризацией, можно ограничивать прохождение света. Интенсивность света прошедшего через поляризаторы подчиняется закону Малюса. На этом принципе работают жидкокристаллические экраны.

Некоторые живые существа, например пчёлы, способны различать линейную поляризацию света, что даёт им дополнительные возможности для ориентации в пространстве. Обнаружено, что некоторые животные, например креветка-богомол павлиновая [1] способны различать циркулярно-поляризованный свет, то есть свет с круговой поляризацией

Поляриметр — прибор, предназначенный для измерения угла вращения плоскости поляризации оптически активными прозрачными и однородными растворами и жидкостями. Применяется в лабораториях пищевой, химической промышленности и других отраслях науки и производства для определения концентрации растворов оптически активных веществ, таких как сахар, глюкоза, белок, по углу вращения плоскости поляризации.

Поляриметр круговой СМ-3

Поляриметр СМ-3 предназначен для измерения угла вращения плоскости поляризации оптически активными прозрачными и однородными растворами и жидкостями с целью определения их концентрации. Поляриметр визуального типа удобен в эксплуатации, обладает высокой надежностью и точностью измерений, соответствует современным эстетическим и эргономическим требованиям. Поляриметр СМ-3 применяется в различных отраслях промышленности: пищевой, химической, полиграфической.

Поляриметр П161-М портативный

Поляриметр П161-М предназначен для измерения угла вращения плоскости поляризации оптически активными прозрачными и однородными растворами и жидкостями.

Поляриметр П161-М применяется в лабораториях пищевой, химической промышленности и других отраслях науки и производства для определения концентрации растворов оптически активных веществ, таких как сахар, глюкоза, белок по углу вращения плоскости поляризации.

Полярископ ПКС-250 М

Полярископ ПКС-250 М предназначен для определения двойного лучепреломления в плоских заготовках и изделиях из прозрачных и слабоокрашенных материалов.

Полярископ ПКС-250 М используется:

для количественной оценки величины двойного лучепреломления методом Сенармона с погрешностью не более 10 нм,

для оценки распределения двойного лучепреломления в объекте по интерференционной окраске,

для исследований распределения двойного лучепреломления в объекте в свете, поляризованном по кругу.

Достоинства полярископа: большое просматриваемое поле позволяет контролировать крупногабаритные заготовки и детали, а также производить одновременный контроль нескольких образцов.

Двойное лучепреломление.

Все прозрачные кристаллы (кроме кристаллов кубической системы, которые оптически изотропны) обладают способностью двойного лучепреломления, т. е. раздваивания каждого падающего на них светового пучка. Это явление, в 1669 г. впервые обнаруженное датским ученым Э. Бартолином (162S-1698) для исландского шпата (разновидность кальцита СаСО3 ), объясняется особенностями распространения света в анизотропных средах и непосредственно вытекает из уравнений Максвелла.

Читайте также:  Проводник с током находится между полюсами постоянного магнита в какую сторону направлена сила

Если на толстый кристалл исландского шпата направить узкий пучок света, то из кристалла выйдут два пространственно разделенных луча, параллельных друг другу и падающему лучу (рис. 1).

Даже в том случае, когда первичный пучок падает на кристалл нормально, преломленный пучок разделяется на два, причем один из них является продолжением первичного, а второй отклоняется (рис. 2). Второй из этих лучей получил название необыкновенного (е), а первый — обыкновенного (о).

В кристалле исландского шпата имеется единственное направление, вдоль которого двойное лучепреломление не наблюдается. Направление в оптически анизотропном кристалле, по которому луч света распространяется, не испытывая двойного луче преломления, называется оптической осью кристалла. В данном случае речь идет именно о направлении, а не о прямой линии, проходящей через какую-то точку кристалла. Любая прямая, проходящая параллельно данному направлению, является оптической осью кристалла. Кристаллы в зависимости от типа их симметрии бывают одноосные и двуосные, т.е. имеют одну или две оптические оси (к первым и относится исландский шпат).

Исследования показывают, что вышедшие из кристалла лучи плоскополяризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Плоскость, проходящая через направление луча света и оптическую ось кристалла, называется главной плоскостью (или главным сечением кристалла). Колебания светового вектора (вектора напряженности Е электрического поля) в обыкновенном луче происходят перпендикулярно главной плоскости, в необыкновенном — в главной плоскости (рис. 2).

Неодинаковое преломление обыкновенного и необыкновенного лучей указывает на различие для них показателей преломления. Очевидно, что при любом направлении обыкновенного луча колебания светового вектора перпендикулярны оптической оси кристалла, поэтому обыкновенный луч распространяется по всем направлениям с одинаковой скоростью и, следовательно, показатель преломления n для него есть вели чина постоянная. Для необыкновенного же луча угол между направлением колебаний светового вектора и оптической осью отличен от прямого и зависит от направления луча, поэтому необыкновенные лучи распространяются по различным направлениям с разными скоростями. Следовательно, показатель преломления пе необыкновенного луча является переменной величиной, зависящей от направления луча. Таким образом, обыкновенный луч подчиняется закону преломления (отсюда и название «обыкновенный»), а для необыкновенного луча этот закон не выполняется. После выхода из кристалла, если не принимать во внимание поляризацию во взаимно перпендикулярных плоскостях, эти два луча ничем друг от друга не отличаются.

Как уже рассматривалось, обыкновенные лучи распространяются в кристалле по всем направлениям с одинаковой скоростью v = c/n , а необыкновенные — с разной скоростью vв =с/nв . (в зависимости от угла между вектором Е и оптической осью). Для луча, распространяющегося вдоль оптической оси, n = ne , v = ve т. е. вдоль оптической оси существует только одна скорость распространения света. Различие в ve и vв для всех направлений, кроме направления оптической оси, и обусловливает явление двойного лучепреломления света в одноосных кристаллах.

Допустим, что в точке S внутри одноосного кристалла находится точечный источник света. На рис. 3 показано распространение обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле (главная плоскость совпадает с плоскостью чертежа, ОО’ — направление оптической оси).

Источник



Электрическая поляризация проводников

Механизм поляризации проводников первого и второго рода аналогичен механизму поляризации неполярных диэлектриков, но с учетом в каждом конкретном случае динамики разделения электрических зарядов в металлах, плазме и электролитах. Рассмотрим процесс разделения электрических зарядов под влиянием приложенного внешнего электрического поля для различных проводников первого и второго рода.

Металлы. В металлах электроны в валентной зоне подчиняются квантовой статистике Ферми-Дирака. При наложении внешнего электрического поля валентные электроны смещаются только у верхней границы валентной зоны, т.е. у уровня Ферми. Вероятность образования свободного состояния вблизи уровня Ферми равна:

Здесь , а ∆Е – энергия бинарного межкластерного взаимодействия, приходящаяся на одну частицу (∆Е = θi, кл./2, а θi,кл.— энергия ионизации кластера).

Для большинства металлов в нормальных условиях ∆Е >> kБT. Следовательно,

а вероятность того, что валентный электрон кластера заполнит это состояние, равна:

В результате для большинства металлов вектор электрической поляризации будет равен:

а из общего определения вектора электрического смещения следует, что относительная диэлектрическая проницаемость равна:

Конкретный расчет относительной диэлектрической проницаемости для ряда металлов приведен в табл.4.1

Таблица 4.1.

Энергия ионизации кластерных образований в эВ и относительная диэлектрическая проницаемость для различных металлов.

Параметр Вещество
Na Al α-Fe Cu W
Θкл. 0,714 1,56 1,46 1,63 4,64
εr 2,24∙10 7 1,05∙10 14 1,85∙10 13 4,64∙10 14

Получается, что для металлов диэлектрическая проницаемость представляет собой огромную величину.

Плазма. В плазме при наложении внешнего электрического поля происходит смещение электронов в поле положительного иона, что и обусловливает поляризацию плазмы. Самопроизвольная поляризация плазмы имеет место внутри радиуса Дебая. Величина радиуса Дебая определяется из закона сохранения энергии, когда работа по разделению зарядов компенсируется энергией теплового движения. Отсюда

где ne – концентрация электронов в плазме. Радиус Дебая является радиусом экранирования плазмы.

При наложении внешнего электрического поля на связанный электрон в поле положительного иона будет действовать сила . Аналогичная сила будет действовать на ион . Вследствие действия этих сил произойдет поляризация плазмы. Возникнет наведенный электрический момент для каждой пары электрон-ион, пропорциональный напряженности внешнего электрического поля, т.е.

где α – коэффициент поляризуемости плазмы, d – результирующее смещение зарядов внутри плазмы.

Вектор электрической поляризации = э. На основании (3.16) для относительной диэлектрической проницаемости получаем:

Для равновесной плазмы концентрация электронов определяется формулой Саха. Применительно к слабой однократной ионизации формула Саха принимает вид:

Здесь h – постоянная Планка; Θi – эффективный потенциал ионизации частиц, составляющих плазму.

Плазму положительного столба дугового разряда можно считать равновесной при температуре 5000 К. Тогда для дугового разряда в аргоне при атмосферном давлении в положительном столбе nе = 4.04·10 17 м -3 . При расстоянии между электродами 1 см и падении напряжения на положительном столбе 1 В для диэлектрческой проницаемости получаем εr = 7,3·10 7 . Для тлеющего разряда в аргоне nе = 1·10 18 м —3 при расстоянии между электродами 10 см и давлении 0,133 Па имеем: εr = 1,6·10 9 . Диэлектрическая проницаемость получается достаточно большой величины. Поэтому такая среда является элетропроводящей. При этом, чем большая плотность плазмы тем меньше падение напряжения на положительном столбе и поэтому диэлектрическая проницаемость резко растет. Поляризация плазмы охватывает весь разрядный промежуток и создается впечатление, что электрический ток сопровождается движением электрических зарядов. На самом деле энергию в разряде переносят не заряды, а электромагнитное поле, вырабатываемое внешним источником ЭДС. Заряды формируют среду, по которой распространяются электромагнитные волны как по волноводу.

Электролиты.В электролитах также как и в плазме возникает самопроизвольная поляризация внутри радиуса Дебая. Отличие состоит в том, что образование свободных электрических зарядов происходит не вследствие ионизации, а вследствие диссоциации сложных молекул на катионы и анионы. Энергия диссоциации сложных молекул не превышает 10-и эВ. Если электролит разбавлен на воде, то энергия диссоциации уменьшается на величину диэлектрической проницаемости, которая для воды составляет

80. Энергия диссоциации воды 5,12 эВ. При подготовке электролита подбираются щелочи или соли с энергией диссоциации меньше, чем для воды, т.е. 2…3 эВ. В этом случае при нормальной температуре будет происходить самопроизвольная диссоциация сложных молекул в воде. В результате в электролите возникнут свободные катионы и анионы. Концентрация вводимых щелочей или солей в весовом составе не превышает 1%. Тогда концентрация катионов и анионов составит

3,3·10 24 м -3 . Подлючив внешний источник ЭДС к электродам, расположенным на удалении друг от друга 1 см, для такой среды получим диэлектрическую проницаемость равную 6·10 14 , что соответствует диэлектрической проницаемости чистых металлов. Электромагнитные волны по такой среде распространяются как по волноводу. Процесс поглощения электромагнитных волн внутри волновода будет рассмотрен ниже в гл. 9.

Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.007 сек.)

Источник