УРОК 6 на тему: Провідники і діелектрики в електричному полі. Електростатичний захист. Діелектрична проникність

УРОК 6 на тему:  Провідники і діелектрики в електричному полі. Електростатичний захист. Діелектрична проникність

Мета: дидактична: з'ясувати поведінку речовини в електричному полі залежно від її внутрішньої будови; домогтися глибокого розуміння процесів, що відбуваються всередині в речовині під дією зовнішніх електричних полів, вивчити явище електромагнітної індукції, познайомити з явищем електричного вітру, показати як захиститись від електричного поля, пояснити застосування провідників та діелектриків.

           Розвиваюча: Розвивати логічне мислення; розвивати уміння аналізувати, порівнювати, систематизувати знання, складаючи таблицю.

Виховна: виховувати в учнів віру у власні сили; створити такі умови навчання, коли кожен відчуває власну інтелектуальну спроможність, відчуває, що знання з фізики потрібні в житті і в професії.

Тип уроку: урок вивчення нового навчального матеріалу

Необхідне обладнання: електростатична машина, набір для електризації, циліндр Фарадея або сітка Кольбе.

Природа проста в своїх знаннях,

але нескінченно багата і винахідлива

 в їх використанні.

Г. Лейбніц.

Хід уроку

1.Організаційний момент. Наш сьогоднішній урок проведемо у формі диспуту-змагання. Умовно поділимось на дві групи: одна-діелектрики; друга-провідники. Використовуємо навчальну програму програмне забезпечення  з фізики для учнів 10 класу загальноосвітніх навчальних закладів.

2.Перевірка виконання домашньої задачі. (Один з учнів пояснює хід розв 'язування задач, а з іншої  команди-групи другий аналізує, коментує.)

3.Вивчення нового матеріалу.

Що відбувається з будь-яким тілом, яке помістили в електричне поле? (Момент проблемної ситуації , метод «дивуй» ). Щоб відповісти на це запитання, розглянемо спочатку провідники в електричному полі, а саме: провідники першого роду - метали. При утворенні металу в результаті сильної взаємодії нейтральних атомів останні втрачають електрони із зовнішніх оболонок атомів. Ці електрони втрачають зв'язок зі «своїми» атомами і стають «власністю» всього провідника загалом. У результаті додатньо заряджені іони будуть оточені від'ємно зарядженим «газом», утвореним колективізованими електронами

Ці колективізовані електрони беруть участь у тепловому русі і можуть переміщатися по шматку металу в будь-якому напрямі. їх називають вільними електронами, але цей термін не дуже вдалий, тому ліпше називатимемо їх електронами провідності. Слід зауважити, що сумарний позитивний та негативний заряд у провіднику дорівнює нулю.

Помістимо металевий провідник у зовнішнє електричне поле, напруженість якого дорівнює Ё_о. Електрони провідності під дією сили зовнішнього електричного поля зміщатимуться в напрямі протилежному до напруженості цього поля. Внаслідок такого зміщення у лівій частині провідника (див. рис. 3) утвориться надлишок негативних зарядів, а у правій - надлишок позитивних. У цьому полягає явище електростатичної індукції, або електризації через вплив.

Надлишкові заряди створюють усередині в провіднику додаткове (своє) електричне поле, напрям напруженості якого протилежний до зовнішнього поля (див. рис. З, на якому лінії напруженості додаткового поля показано пунктиром). Через супер­позицію полів напруженість результуючого поля в провіднику зменшується. Результуюча сила, що діє на електрон провідності, дорівнює: F_ji=F₀-F_l, де F_o -сила дії зовнішнього поля; F, - сила дії внутрішнього (додаткового) поля.

Через дуже малий інтервал часу переміщення електронів провідності припи­няється, бо напруженість додаткового поля дорівнюватиме за модулем напруженості зовнішнього поля, а це означає, що сили дії зовнішнього і додаткового полів теж зрівняються. їх рівнодійна дорівнюватиме нулю.

Отже, напруженість результуючого поля всередині у провіднику, поміщеному у зовнішнє електричне поле, дорівнює нулю, так само як і в незарядженому провіднику.

Відсутність його усередині в провіднику можна виявити за допомогою різних дослідів.( Учень  демонструє дослід з циліндром Фарадея або сіткою Кольбе.)Ви спостерігали, що листки станіолю, прикріплені ззовні, відхиляться, коли на сітку спрямувати заряд від електростатичної машини, а листки, прикріплені до стрижня, поміщеного у середину сітки, не відхиляться. Поясніть, чому так відбу­вається? (Вчитель слухає думки учнів.)

 Відсутність електричного поля всередині у зарядженому чи незарядженому провіднику вказує ще й на те, що сумарний електричний заряд дорівнює нулю. Отже, весь статичний заряд провідника розміщений на його поверхні. Це справді так, бо якби заряд містився усередині в провіднику, то поблизу заряду було би поле.

Існує така бувальщина, що Фарадей, бажаючи пересвідчитись у тому, що всередині у провіднику електричне поле відсутнє, виготовив доволі велику мета­леву сітку і сам заліз під неї. Його помічник під'єднав сітку до джерела високої напруги. В результаті цього учений і його асистент самі пересвідчились, що електричного поля усередині в провіднику справді нема. Мабуть, Фарадей хотів не стільки себе переконати, скільки свого асистента.

(Учень  демонструє вигляд монтажних плат старої марки телевізора, зокрема, показує алюмінієві ковпачки, якими екранують деякі радіодеталі.)

Учні, як ви гадаєте: яку роль відіграють ці алюмінієві ковпачки, якими накрито деякі радіодеталі? (Вчитель слухає й уточнює відповіді учнів.)

Тепер розглянемо поведінку діелектриків в електрич­ному полі. Спочатку уважно простежте за виконанням поданих нижче дослідів. Надамо електрометру певного заряду і позначимо кут відхилення стрілки. Наблизимо до кульки електрометра незаряджений діелектрик та помітимо, що покази електрометра зменшились. Якщо забрати діелектрик, то стрілка електрометра повернеться у попереднє положення. Причому це не залежить від того, як електрометр був заряджений - позитивно чи негативно.

(Учень повторює дослід, замінивши кульку електро­метра на металеву пластину, а діелектрик теж бере у вигляді пластини).

Як бачите, відбувається те саме, що і в попередньому досліді, тільки значно ефективніше. Як можна пояснити результати дослідів?

(Вчитель слухає відповіді, доповнює їх або пояснює сам.)

Таким чином, у діелектрику, як і в провіднику, можна простежити індукцію електричних зарядів. Якщо ж розділити заряджений діелектрик на дві частини, то ми не отримаємо двох частин, заряджених різнойменно. Отже, індукція в діелектрику відрізняється від індукції у провіднику. Річ у тім, що, наприклад, в ідеальному діелектрику нема вільних зарядів, як у провіднику. Різнойменні заряди, що входять до складу діелектрика, компенсують один одного, і загалом молекули є електро-нейтральними. Наявність у діелектрику електричних зарядів може означати лише їх перерозподіл у межах об'єму, що його займає атом чи молекула.

Розглянемо молекулу води. Вона складається з негативного іона кисню і двох позитивних іонів водню. Центри позитивного та негативного зарядів молекули води зміщені один відносно одного й утворють полярну молекулу, так званий диполь (див. рис.). Навколо молекули-диполя створюється електричне поле, хоч вона має

однакові позитивний і негативний заряди. Такі діелектрики називають полярними. У звичайному стані молекули-диполі зорієнтовані хаотично, та їхні поля взаємно послаблюють одне одного, тому поза діелектриком поле не можна виявити.

Помістивши діелектрик у зовнішнє електричне поле, побачимо, що воно діє на кожну молекулу-диполь. При цьому на молекулу-диполь діє пара сил (див. рис. 6), що орієнтує її в напрямі напруженості. Це явище називають поляризацією діелектрика.

Звичайно процес поляризації порушує тепловий рух молекул. Однак якщо зовнішнє поле доволі сильне, то все ж більшість диполів орієнтується так, як пока­зано на. Чим більша напруженість зовнішнього електричного поля, тим більша кількість диполів орієнтується у ньому.

У результаті цього на одній поверхні діелектрика виникає зв'язаний негативний поляризаційний заряд, а на протилежній - позитивний. Усередині в діелектрику сумарний електричний заряд дорівнює нулю.

Крім полярних діелектриків, бувають так звані неполярні. Молекули таких діелектриків не містять іонів. Центри позитивного і негативного зарядів у них збігаються.

Якщо неполярний діелектрик помістити в електричне поле, то центри позитивного та негативного зарядів зміщуються під дією сил поля, утворюючи диполь, який вже орієнтується у полі так, як і в полярних діелектриків, що веде до поляризації й утворення поляризованих зарядів на протилежних сторонах.

Припустимо, що Е_о - напруженість електричного поля, в яке поміщено діелектрик  напрям поля - справа наліво. Напруженість електричного поля, створеного поляризаційними зарядами, дорівнює Е₁

Таким чином, модуль результуючого поля становитиме: Е= Е₀ - Е₁

Як бачимо, електричне поле усередині в діелектрику лише послаблюється. Величину, яку визначають за допомогою співвідношення є (епсилон),називають діелектричною проникністю діелектрика. Вона показує ступінь поляризації цього діелектрика, тобто у скільки разів модуль напруженості електричного поля всередині у діелектрику Е_х менший за модуль напруженості електричного поля Е_о у вакуумі. Звичайно це стосується однорідних діелектриків. З огляду на це можна пояснити, чому сила взаємодії електричних зарядів у діелектрику зменшується(F = k q₁ q₂ / r² ).

Якщо точкові заряди перебувають у діелектрику, то він поляризується Біля поверхні позитивного зарядженого тіла розміщуються негативні заряди молекул-диполів середовища, а біля поверхні негативно зарядженого тіла - позитивні. Це призводить до деякого зменшення напруженості поля порівняно з напруженістю поля цього самого заряду у вакуумі та зменшення сили взаємодії між зарядами, що перебувають у діелектрику, порівняно із силою взаємодії між зарядами у вакуумі.

4. Закріплення вивченого матеріалу. Проводимо за допомогою програмового контролю, вході уроку учні складають таблицю порівняння провідників та діелектриків, працюють в групах  метод «ти –мені, я- тобі», наприклад:

1.  У чому полягає явище електростатичної індукції?

2.Як можна захистити прилади, пристрої і людей від шкідливого впливу зовнішнього електричного поля?

3. Як ви розумієте поляризацію діелектрика?

4.Чи можна добитись, щоб у діелектрику напруженість сумарного електричного поля дорівнювала нулю?

5. Як ви розумієте: діелектрична проникність води є = 8

5.Підбиття підсумків уроку.

Експрес-опитування «Що нового я дізнався на уроці?» на сьогоднішньому уроці ще раз ми переконались, що фізичні теорії є надійним знаряддям у розкритті таємниць природи, загадок повсякденного життя.

6.Домашнє завдання.

Обов’язкове: вивчити §§42,43,повторити  36,37,39,41  .Додаткове: підготувати домашні досліди з діелектриками та провідниками, виготовити колесо Франкліна, підготувати цікаві повідомлення про поведінку речовин в електричному полі