6. . Электрическое поле в диэлектрических средах. Дипольные моменты молекул диэлектрика. Поляризация диэлектрика

Вещества, которые не проводят электрический ток, называются диэлектриками. В диэлектриках, в отличие от проводников, нет свободных носителей заряда. Все молекулы диэлектрика электрически нейтральны. Тем не менее, молекулы обладают электрическими свойствами. В первом приближении молекулу можно рассматривать как электрический диполь с дипольным электрическим моментом .

Как всякий электрический диполь молекула создаёт электрическое поле, поэтому электрические поля диполей, складываясь, создают некоторое собственное поле , которое, налагаясь на внешнее поле, образует результирующее электрическое поле в диэлектрике.

Существуют два основных вида однородных и изотропных диэлектриков:

1) неполярные диэлектрики (атомы и молекулы таких диэлектриков в отсутствие внешнего электрического поля не имеют дипольных моментов, а при помещении в электрическое поле приобретают индуцированные дипольные моменты, пропорциональные величине напряженности поля);

2) полярные диэлектрики (атомы и молекулы таких диэлектриков в отсутствие внешнего электрического поля обладают дипольными моментами, при помещении в электрическое поле дипольные моменты ориентируются преимущественно по направлению вектора напряженности поля).

На электрический диполь в электрическом поле действует момент сил, поворачивающий диполь по направлению поля:

,М = р_e·Е·sin.

Электрическое поле совершает работу при ориентации диполя, поэтому электрический диполь во внешнем поле обладает потенциальной энергией

,

где угол между дипольным моментом и напряженностью поля (рис. 1.7).

Установлению параллельной ориентации всех дипольных моментов препятствует тепловое движение атомов и молекул диэлектрика.

При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле происходит поляризация диэлектрика, состоящая в том, что в любом малом его объёме Vвозникает отличный от нуля суммарный дипольный электрический момент молекул. Диэлектрик в таком состоянии называется поляризованным. Количественной мерой поляризации диэлектрика служит поляризованность (вектор поляризации).

Поляризованностьравна электрическому дипольному моменту единицы объема диэлектрика:

.

В случае неоднородной поляризации () необходимо рассматривать предел этого отношения, когдаV0.

Для однородных и изотропных диэлектриков поляризованность пропорциональна напряженности поля:

,

где диэлектрическая восприимчивость вещества.

В результате поляризации диэлектрика в тонких слоях у ограничивающих его поверхностей возникают некомпенсированные связанные заряды, называемые поверхностными поляризационными (связанными) зарядами. Поверхностная плотность_связполяризационных зарядов равна проекции поляризованности на внешнюю нормаль к рассматриваемой поверхности диэлектрика:

,

где угол между вектороми нормалью к поверхности.

1.7. Теорема Гаусса для электростатического поля в среде

Согласно принципу суперпозиции полей напряжённость поля в среде равна геометрической сумме напряжённостей полей свободных_своб.и связанных_связ.зарядов:

=_своб.+_связ.;

(_своб.+_связ.);

_связ.=.

Электрическим смещением называется векторная величина , характеризующая электрическое поле:

.

Для однородных и изотропных диэлектриков, связь между иимеет вид

,

где  = (1+)относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, безразмерная физическая величина, показывающая во сколько раз электрическое поле в диэлектрике меньше, чем в вакууме:

.

Теорема Гаусса для электростатического поля в среде

Поток вектора электрического смещения через произвольную замкнутую поверхность равен свободному электрическому заряду, попавшему внутрь этой поверхности:

_своб.