11

Тема: ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ

В этой теме мы будем широко использовать модель электрического диполя. Это два противоположных по знаку и одинаковых по модулю точечных заряда q, расстояние между которыми l. Электрическим дипольными моментом называют вектор, направленный от отрицательного полюса к положительному и равный по модулю

.

Диполь создаёт в окружающем пространстве своё собственное поле, напряженность которого убывает с расстоянием пропорционально (при r >> l), а потенциал - пропорционально (см. решение задачи 1.79).

Если диполь поместить во внешнее однородное поле так, что вектор составляет некоторый угол с линиями напряженности, на диполь будет действовать момент пары электрических сил (здесь вектор , как и , считается направленным от отрицательного заряда к положительному). Под действием этого вращающего момента диполь стремится повернуться так, что || . Это положение устойчивого равновесия диполя.

Е сли диполь поместить в неоднородное поле, то он, во-первых, развернётся, установившись вдоль линии напряженности ( || ), а во-вторых, так как напряженности в местах нахождения положительного и отрицательного зарядов (соответственно, и ) различны, на него будет действовать результирующая сила , втягивающая диполь в область более сильного поля.

Итак, во внешнем электрическом поле диполь ориентируется вдоль линий напряженности и втягивается в область более сильного поля.

Эти свойства диполя помогут нам понять поведение диэлектриков в электростатическом поле.

§ 1. Поляризация диэлектрика. - поляризованность

При помещении незаряженного диэлектрика во внешнее электрическое поле обнаруживаются существенные изменения как в самом диэлектрике, так и в окружающем его поле.

Так, мы уже видели, что внесение диэлектрика между пластинами конденсатора изменяет уменьшает напряжение на конденсаторе, т.е. изменяет электрическое поле между пластинами.

К наэлектризованной расческе притягиваются мелкие кусочки бумаги. Вспомним демонстрацию на первой лекции: деревянная линейка, лежащая на круглой подставке, притягивается к наэлектризованному телу.

Демонстрация. Притяжение шарика из бузины к заряженному металлическому шару

В проводнике, как мы выяснили, при помещении в электростатическое поле возникает перераспределение свободных зарядов – электростатическая индукция. А что же происходит в диэлектриках, в которых отсутствуют свободные заряды?

Чтобы ответить на этот вопрос, надо рассмотреть поподробнее строение диэлектриков на микроскопическом уровне.

Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул, при этом молекулы могут быть полярными и неполярными, либо из ионов разного знака, находящихся в узлах решетки (ионный кристалл, например, соль NaСl).

В итоге можно разделить диэлектрики на три группы.

1) Диэлектрики, состоящие из полярных молекул. Такие молекулы обладают собственным дипольным моментом. Например, молекулы Н₂О, в которых положительные и отрицательные заряды смещены друг относительно друга. Такие молекулы называют жесткими диполями.

В отсутствие внешнего поля дипольные моменты молекул ориентированы хоатически, поэтому векторная сумма дипольных моментов равна нулю: .

Во внешнем поле жесткие диполи ориентируются преимущественно по полю. В результате возникает суммарный дипольный момент, отличный от нуля и направленный вдоль поля: . Этому процессу мешает тепловое движение молекул, поэтому с повышением температуры суммарный дипольный момент молекул уменьшается.

1. Диэлектрики, состоящие из неполярных молекул. Такие молекулы в отсутствие внешнего поля не имеют дипольных моментов, т.к. «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов в них совпадают. Таковы, например, молекулы инертных газов или молекулы СО₂.

Однако при помещении во внешнее поле у каждой молекулы появляется отличный от нуля дипольный момент, направленный по полю, из-за того, что электроны чуть смещаются относительно ядер (такие молекулы называют упругими диполями), причем тепловое движение никак не влияет на этот процесс.

В итоге, как и в предыдущем случае, возникает суммарный дипольный момент, отличный от нуля и направленный вдоль поля: .

2. В ионных кристаллах во внешнем поле все положительные ионы чуть смещаются в направлении поля, а отрицательные - против поля, в итоге вся решетка опять-таки приобретает суммарный дипольный момент, направленный по полю.

Итак, во внешнем электростатическом поле диэлектрик поляризуется, т.е. происходят микроскопически малые смещения положительных и отрицательных зарядов, в результате чего диэлектрик приобретает суммарный дипольный момент, направленный по полю.

М еханизм поляризации связан с конкретным строением диэлектрика, но итог – один и тот же.

В результате поляризации на границах диэлектрика (а иногда и в его объеме) появляются нескомпенсированные заряды. Их называют поляризационными или связанными. Эти заряды входят в состав молекул, и их свобода перемещения ограничена (в пределах молекулы). Алгебраическая сумма связанных зарядов равна нулю.

Заряды, которые не входят в состав молекул диэлектрика, а помещены извне, будем называть сторонними.

Для количественного описания процесса поляризации берут суммарный дипольный момент единицы объема вещества:

(ΔV – объем той части диэлектрика, по которой ведется суммирование). Это вектор называют поляризованностью (в старой литературе используется термин «вектор поляризации»).

Итак, поляризованность - это векторная физическая величина, равная суммарному дипольному моменту единицы объема вещества.

Ее размерность в СИ:

.