Диэлектрики в электрическом поле
Д
иэлектриками
или изоляторами называются вещества,
в которых нет свободных электрических
зарядов. Опыт показывает, что если
диэлектрик поместить во внешнее
электрическое поле, то напряженность
электрического поля внутри диэлектрика
будет меньше, чем снаружи. При внесении
диэлектрика в электрическое поле на
его поверхности тоже появляются
наведенные заряды, но так как в диэлектрике
нет свободных зарядов, то эти наведенные
заряды называются связанными. Связанные
заряды, наведенные на поверхности
диэлектрика также создают свое
электрическое поле
.
Оно так же как и в проводниках, направлено
противоположно внешнему полю
.
В результате суммарная напряженность
электрического поля внутри диэлектрика
будет равна
,
а по модулю
.
Величина, показывающая во сколько раз
напряженность электрического поля
внутри диэлектрика меньше, чем снаружи
называется диэлектрической
проницаемостью:
Возникновение на поверхности диэлектрика связанных зарядов при внесении его в электрическое поле называется поляризацией диэлектрика. Существует три механизма поляризации. Рассмотрим их коротко.
Э
лектронная
поляризация.
Молекулы многих диэлектриков являются
электрически нейтральными. В них центры
положительного и отрицательного зарядов
совпадают. Однако при внесении диэлектрика
в электрическое поле центры зарядов в
молекулах разделяются и молекулы
начинают представлять собой маленькие
диполи. Причем чем сильнее внешнее поле,
тем больше разделяются заряды. Суммарное
поле, созданное молекулами – диполями
уменьшает внешнее поле.
Ионная поляризация. Кристаллическая решетка ионных кристаллов представляет собой как бы две вложенные друг в друга подрешетки, состоящие из положительных и отрицательных ионов. При отсутствии внешнего электрического поля эти подрешетки совмещены друг с другом так, что на поверхности диэлектрика никаких зарядов нет. Однако во внешнем электрическом поле подрешетки смещаются относительно друг друга так, что на внешней поверхности появляются нескомпенсированные заряды.
Ориентационная поляризация. Молекулы некоторых диэлектриков изначально представляют собой маленькие диполи. Такими, например, являются молекулы воды. При отсутствии внешнего поля молекулы из-за теплового движения ориентированы хаотически и их суммарное электрическое поле равно нулю. При наличии внешнего поля возникает преимущественная ориентация молекул вдоль поля и появляется суммарное поле молекул, направленное противоположно внешнему полю. Однако тепловое движение нарушает ориентацию, поэтому с повышением температуры диэлектрическая проницаемость таких диэлектриков уменьшается. Влияние внешнего поля также ограничивается взаимодействием молекул между собой. Поэтому диэлектрическая проницаемость таких диэлектриков в твердом состоянии меньше, чем в жидком. Например, диэлектрическая проницаемость воды равна 81,7, а льда 2,85.
Внутри диэлектрической среды все силовые и энергетические характеристики электрического поля уменьшаются в ε раз. Закон Кулона записывается в виде:
Напряженность электрического поля точечного заряда:
Потенциал точечного заряда:
Энергия взаимодействия точечных зарядов:
