23

1. Діелектрик або ізолятор складається з нейтральних атомів або молекул. Електрони і ядра в нейтральному атомі зв"язані між собою і не можуть переміщатися під дією поля по всьому об"єму тіла, як вільні заряди провідника. Всередині діелектрика може існувати електричне поле. Розглянемо атом водню. Додатній заряд зосереджений в центрі атома. Електрон рухається навколо ядра з великою швидкістю: один оберт за 10 -15 с. Це дає підставу вважати, що центр розподілу від"ємного заряду припадає на середину атома, тобто збігається з додатньо зарядженим ядром. Тепер розглянемо молекулу кухонної солі NaCl. Атом Na має один валентний електрон, слабо зв"язаний з атомом, а Cl - сім валентних електронів. Під час утворення молекули Cl захоплює валентний електрон Na. Обидва нейтральні атоми перетворились на систему з двох іонів протилежних знаків.  Центр розподілу додатнього заряду припадає на іон натрію, а від"ємного на іон хлора, тобто утворюється електричний диполь (твердий). Електричним диполем наз. нейтральну вцілому систему двох однакових за модулем і протилежних за знаком точкових зарядів, що перебувають на де-якій відстані один від одного. Отже, діелектрики можна поділити на такі види: Неполярні - що складаються з атомів або молекул, у яких центри розподілу додатніх і від"ємних зарядів збігаються (інертні гази, кисень, водень). Полярні - що складаються з молекул, у яких центри розподілу додатніх і від"ємних зарядів не збігаються (спирт, вода, сіль,…).

2. Електри́чним ди́польним моме́нтом або просто дипольним моментом системи зарядів q_i називається сума добутків величин зарядів на їхні радіус-вектори.

.

Зазвичай дипольний момент позначається латинською літерою d або латинською літерою p.

Природними одиницями вимірювання дипольного заряду в системі СІ є кулон на метр, хоча така одиниця є надзвичайно великою для практичного використання, тому застосовуються інші одиниці. У атомній фізиці здебільшого використовується одиниця Дебай.

Дипольний момент має надзвичайне значення в фізиці при вивченні нейтральних систем. Дія електричного поля на нейтральну систему зарядів й електричне поле створене нейтральною системою визначаються в першу чергу дипольним моментом. Це, зокрема, стосується атомів і молекул.

Нейтральні системи зарядів з відмінним від нуля дипольним моментом називають диполями.

Властивості

Загалом визначений вище дипольний момент залежить від системи відліку. Проте для нейтральної системи сума всіх зарядів дорівнює нулю, тому залежність від системи відліку зникає.

Найпростіший диполь складається із двох одинакових за абсолютною величиною, але протилежних за напрямком зарядів +q і -q, які знаходяться на певній віддалі r один від одного. Дипольний момент тоді дорівнює за абсолютною величиною qr і направлений від позитивного до негативного заряду.

У випадку неперервного розподілу заряду із густиною   дипольний момент визначається інтегруванням

.

[Ред.]Енергія диполя в зовнішньому електричному полі

При умові, коли розміри системи зарядів набагато менші від характерної довжини, на якій міняється електичне поле, а загалом для атомів і молекул це справедливо навіть тоді, коли зовнішнє електричне поле - це поле електромагнітної хвилі у видимому діапазоні, енергія системи зарядів дуже простим чином виражається через дипольний момент.

.

[Ред.]Момент сили, який діє на диполь в електричному полі

Електричне поле намагається орієнтувати диполь вздовж силових ліній, створюючи момент сили  , який дорівнює

.

Ця формула теж справедлива при умові, коли поле в межах системи зарядів однорідне.

[Ред.]Електричне поле, створене диполем

Здебільшого постає задача визначення електричного поля на віддалі, набагато більшій за віддаль між зарядами. В такому випадку потенціал електричного поля визначається за формулою

,

а його напруженість

,

де   - це радіус-вектор точки, в якій визначається напруженість електричного поля.

Звідси видно, що створене диполем електричне поле спадає із віддаллю як 1/r³. Порівняно із іншими типами полів, які створюються нейтральними атомами й молекулами це спадання дуже повільне. Диполі взаємодіють один із одним навіть на значній віддалі. Поле, створене диполем неізотропне, і навіть міняє знак в залежності від напрямку.

[Ред.]Взаємодія диполів

Енергія взаємодії двох диполів   і   задається формулою

.

В залежності від взаємної орієнтації диполів, а такою від орієнтації відносно лінії, яка їх сполучає, диполі можуть як притягатися, так і відштовхуватися.

Осклільки взаємодія між диполями спадає доволі повільно, фізичні системи, які складаються із молекул із відмінним від нуля дипольним моментом дуже сильно зв'язані. Такою системою є вода. Молекула води має доволі значний дипольний момент, оскільки атом кисню у ній відтягає на себе електрони, й стає негативно зарядженим, залишаючи позитивний заряд на двох атомах водню. Завдяки взаємодії між диполями вода зв'язана набагато сильніше, ніж інші речовини із порівняною молярною масою. Вода рідина при кімнатних температурах, в той час, коли набагато важчий кисень чи двоокис вуглецю залишаються газами.

Потрібно зазначити, що нейтральні атоми й молекули, які не мають власного дипольного моменту, здобувають дипольний момент у електричному полі. Такий дипольний момент називається наведеним.

24

1. Поляризацією діелектрика називають зміщення додатніх і від"ємних зв"язаних зарядів діелектрика в протилежні боки під дією електричного поля. В полярному діелектрику тепловий рух зумовлює хаотичну орієнтацію електричних диполів. На поверхні і в об"ємі діелектрика електричний заряд рівний нулю. І напруженість електричного поля рівна нулю. Помістимо діелектрик в однорідне електричне поле (між двома металевими пластинами). З боку електричного поля на диполь буде діяти сила, яка прагне розвернути диполь вздовж силових ліній поля. Біля додатньої пластини на поверхні діелектрика виникають від"ємні заряди диполів, а біля від"ємної - додатні. Тому на поверхні діелектрика виникає зв"язаний заряд. В об"ємі зв"язаний заряд рівний нулю. В неполярному діелектрику під дією поля молекули деформуються і їх можна розглядати як пружні електричні диполі. Отже, діелектрик, вміщений в електричне поле, поляризується. Електричне поле поляризаційних зарядів завжди спрямоване назустріч зовнішньому полю, тому зовнішнє поле всередині діелектрика послаблюється (але не компенсується повністю, як у провідниках), а поблизу діелектрика поле спотворюється.

2. Вектор поляризації - наведений зовнішнім електричним полем дипольний момент одиниці об'єму речовини, кількісна характеристикадіелектричної поляризації.

Позначається літерою  , вимірюється в системі СІ у В/м.