23)Диэлектрики в электростатическом поле. Поляризованность. Свободные и связанные заряды. Вектор d и его связь с векторами е и р.

Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее или совсем не проводящее электрический ток. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле.

Все диэлектрики можно условно разделить на три группы: полярные, неполярные и ионные.

Неполярные диэлектрики состоят из атомов и молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают (инертные газы, кислород, бензол, водород и др.).

Полярные диэлектрики состоят из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают (спирт, вода и др.).

Смещение электрических зарядов вещества под действием электрического поля называется поляризацией.

В результате, каждая молекула или атом образует электрический момент. Способность к поляризации является основным свойством диэлектриков.

Видов поляризации много.

Поляризуемость диэлектрика включает составляющие – электронную, ионную и ориентационную (дипольную). Электронная поляризуемость обусловлена смещением электронной оболочки атома относительно ядра. Ионная поляризуемость вызвана смещением заряженных ионов по отношению к другим ионам. Ориентационная (дипольная) поляризуемость возникает, когда вещество состоит из молекул, обладающих постоянными электрическими дипольными моментами, которые могут более или менее свободно изменять свою ориентацию во внешнем электрическом поле.

При рассмотрении электростатического поля, в случае наличия в нем диэлектриков, нужно различать два рода электрических зарядов: свободные и связанные. Под свободными зарядами мы будем понимать, во-первых, все электрические заряды, которые под влиянием электрического поля могут перемещаться на макроскопические расстояния (электроны в металлах и вакууме, ионы в газах и электролитах и т. п.), и, во-вторых, заряды, нанесенные извне на поверхность диэлектриков и нарушающие их нейтральность ). Заряды же, входящие в состав нейтральных молекул диэлектриков, равно как и ионы, закрепленные в твердых диэлектриках вблизи определенных положений равновесия, мы будем называть зарядами связанными.

Для упрощения расчетов была введена новая векторная величина – вектор электрического смещения (электрическая индукция).

Таким образом, вектор D – есть сумма (линейная комбинация) двух векторов различной природы: E – главной характеристики поля и P – поляризации среды.

24)Проводники в электростатическом поле. Энергия заряженного проводника и конденсатора. Плотность энергии электростатического поля.

Проводники́ — это тела, в которых имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этих тел.

Проводниками являются металлы, некоторые химические соединения, водные растворы солей, кислот и щелочей, расплавы солей, ионизированные газы.

Рассмотрим поведение в электрическом поле твердых металлических проводников. В металлах носителями свободных зарядов являются свободные электроны, называемые электронами проводимости.

Если внести незаряженный металлический проводник в однородное электрическое поле, то под действием поля в проводнике возникает направленное движение свободных электронов в направлении, противоположном направлению вектора напряженности Ео этого поля. Электроны будут скапливаться на одной стороне проводника, образуя там избыточный отрицательный заряд, а их недостача на другой стороне проводника приведет к образованию там избыточного положительного заряда, т.е. в проводнике произойдет разделение зарядов. Эти нескомпенсированные разноименные заряды появляются на проводнике только под действием внешнего электрического поля, т.е. такие заряды являются индуцированными (наведенными), а в целом проводник по-прежнему остается незаряженным.

Поверхность заряженного проводника при равновесии зарядов является эквипотенциальной (φi = φ = const). Следовательно, энергия заряженного проводника:

,

Так как емкость проводника C=q/φ , то это выражение может быть также представлено, как

.

Конденсатор представляет собой пару заряженных проводников , поэтому имеем:

,

А поскольку заряд

, то энергия заряженного конденсатора может быть представлена одной из трех формул:

.(Дж)

Энергия однородного поля пропорциональна объему, занимаемому полем. В связи с этим говорят об энергии единицы объема поля (объемной плотности энергии — we).

. В СИ единицей объемной плотности энергии является джоуль на кубический метр (Дж/м3).

Тогда