Номер 1, страница 424 - гдз по физике 10 класс учебник Грачев, Погожев

Вопросы. Параграф 75. Диэлектрики в постоянном электрическом поле. Глава 10. Электростатика. Электродинамика - номер 1, страница 424.

Условие.

1. Чем отличаются диэлектрики от проводников?

Решение.

Диэлектрики и проводники — это два класса веществ, которые кардинально различаются по своим электрическим свойствам. Основное и фундаментальное отличие между ними заключается в наличии и концентрации свободных носителей заряда.

В проводниках, к которым относятся в первую очередь металлы, имеется огромное количество свободных электронов. Эти электроны не связаны с конкретными атомами кристаллической решетки и могут свободно перемещаться по всему объему проводника, образуя так называемый «электронный газ». Именно упорядоченное движение этих свободных зарядов под действием электрического поля и является электрическим током. Благодаря этому проводники обладают высокой удельной электрической проводимостью ($ \sigma $) и низким удельным сопротивлением ($ \rho $).

В диэлектриках (или изоляторах), таких как стекло, резина, фарфор, все электроны прочно связаны со своими атомами или молекулами. Свободных носителей заряда в них практически нет. Поэтому диэлектрики очень плохо проводят электрический ток, и их удельное сопротивление на много порядков (в $ 10^{15} - 10^{22} $ раз) превышает удельное сопротивление проводников.

Это ключевое различие в строении определяет их разное поведение во внешнем электрическом поле.

При помещении проводника во внешнее электростатическое поле свободные заряды начинают перемещаться: положительные — по направлению поля, отрицательные — против. Они скапливаются на противоположных поверхностях проводника, создавая собственное внутреннее поле, которое полностью компенсирует внешнее. В результате напряженность результирующего электрического поля внутри проводника становится равной нулю.

В диэлектрике же под действием внешнего поля происходит не перемещение зарядов через весь объем, а их незначительное смещение внутри атомов или молекул. Этот процесс называется поляризацией. В результате поляризации возникает внутреннее электрическое поле, направленное против внешнего. Однако это внутреннее поле лишь ослабляет внешнее, но не компенсирует его полностью. Степень ослабления поля характеризуется диэлектрической проницаемостью вещества $ \epsilon $.

С точки зрения зонной теории строения твердых тел, у проводников валентная зона (заполненная электронами) перекрывается с зоной проводимости (свободной), что позволяет электронам легко становиться свободными. У диэлектриков же между валентной зоной и зоной проводимости существует широкая запрещенная зона, для преодоления которой электрону требуется очень большая энергия, недостижимая в обычных условиях.

Ответ: Главное отличие диэлектриков от проводников заключается в концентрации свободных носителей заряда: в проводниках она очень велика, что обеспечивает хорошую электропроводность, а в диэлектриках — ничтожно мала, из-за чего они практически не проводят электрический ток. Это различие определяет их разное поведение в электрическом поле (полная компенсация поля внутри проводника и его ослабление внутри диэлектрика).