3. Диэлектрики в электрическом поле.

3.1 Диэлектрики. Полярные и неполярные молекулы.

К диэлектрикам относят вещества, практически не проводящие электрического тока. Это значит, что в диэлектриках в отличие, например, от проводников нет зарядов, способных перемещаться на значительные (в сравнении с размерами самих молекул) расстояния, создавая ток. Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул, либо из ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки (например, NaCl). Сами молекулы могут быть полярными и неполярными.

Положительный заряд молекулы равен суммарному заряду ядер и помещается в «центре тяжести» положительных зарядов; отрицательный заряд равен суммарному заряду электронов и помещается в «центре тяжести» отрицательных зарядов.

Д ля симметричных молекул (молекулы кислорода О₂, водорода Н₂, гелия Не и т.д.) в отсутствие электрического поля центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, поэтому собственный дипольный момент молекулы равен нулю. Такие молекулы называются неполярными (рис.3.1.а). При внесении такой молекулы во внешнее электрическое поле индуцируется дипольный момент (рис. 3.1. б).

У несимметричных молекул (таких как вода H₂O, соляная кислота, аммиак и т.д.) в отсутствие электрического поля центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают, такие молекулы обладают собственным дипольным моментом и называются полярными.

3.2 Характеристики, вводимые для описания электрического поля в присутствии диэлектриков

1. Поляризация. Под действием внешнего электрического поля происходит поляризация диэлектрика. Независимо от строения диэлектрика в процессе поляризации все положительные заряды смещаются по полю, а отрицательные против поля. Как правило, смещения зарядов малы даже по сравнению с размерами молекул, это связано с тем, что напряженность внешнего поля, действующего на диэлектрик, значительно меньше напряженности внутренних электрических полей в молекулах.

2. Связанные и сторонние заряды. При наличии внешнего электростатического поля на поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные заряды. Они находятся внутри молекул и не могут свободно перемещаться внутри диэлектрика, поэтому их называют связанными.

Заряды, которые не входят в состав молекул диэлектрика, называют сторонними. Эти заряды могут находиться как внутри, так и вне диэлектрика.

3. Поле в диэлектрике. Полем внутри диэлектрика будем называть величину, являющуюся суперпозицией поля сторонних зарядов и поля связанных зарядов:

. (3.1)

4. Диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз модуль напряженности поля в вакууме больше модуля напряженности поля внутри диэлектрика:

. (3.2)

Формула (3.2) справедлива для однородного изотропного диэлектрика.

Когда между векторами и угол равен 180⁰, выражение (3.1) примет вид:

. (3.3)

В зависимости от формы диэлектрика и его расположения во внешнем электрическом поле угол между векторами и может изменяться, но всегда внутри диэлектрика электрическое поле связанных зарядов ослабляет внешнее электрическое поле (Е<E₀).

5. Поляризованность диэлектрика равна векторной сумме дипольных моментов молекул, находящихся в единице объема диэлектрика:

. (3.4)

Поляризованность описывает способность диэлектрика создавать свое собственное поле . Можно показать, что

. (3.5)

Опытным путем была установлена формула

, (3.6)

где – диэлектрическая восприимчивость диэлектрика, ε₀ – электрическая постоянная.

6. Вектор электрического смещения (электрической индукции) вводится формулой

. (3.7)

Используя (3.6), можно записать:

, ,

(3.8)

Формула (3.8) устанавливает связь между вектором электрического смещения и напряженностью поля внутри диэлектрика.