11.2 Вільні та зв’язані електричні заряди. Поверхневі зв’язані заряди. Полярні та неполярні молекули. Поляризація діелектриків. Вектор поляризації.

Вільні та зв’язані електричні заряди

Визначення. Діелектрик - речовини, що практично не проводять електричний струм і в які проникає електричне поле.

Приклади діелектрика: пластмаси, кераміка чи неіонізовані гази, непровідні рідини.

Вільні заряди існують у будь-якому провіднику, вони можуть досить вільно переміщатися в межах провідника.

У діелектриках майже всі заряди зв'язані між собою й здатні переміщатися тільки в межах своєї молекули на відстань порядку 10^-9 м

Поверхневі зв’язані заряди

Н екомпенсовані заряди, що з'являються в результаті поляризації діелектрика, називають поверхневими зв’язаними зарядами або поляризаційними зарядами. Переміщення таких зарядів обмежені. Вони можуть зміщуватися лише всередині електрично нейтральних молекул.

Поляризація діелектриків (діелектрична поляризація)

1. Знайомство з явищем. Діелектрики послаблюють електричне поле.

2. Визначення явища. У середині діелектрика електричне поле слабшає.

3. Умови перебігу явища. Явище спостерігається при будь-яких умовах.

4 . Математичне опис явища. ε = Е₀/Е

5. Пояснення явища. У полярних діелектриках молекули являють собою диполь. У середині діелектрика диполі вільно переміщатися не можуть, і при відсутності зовнішнього електричного поля (Е₀), вони тільки коливаються й обертаються біля вузлів кристалічної решітки (рисунок 11.4). Якщо такий діелектрик внести в електричне поле, то його диполі поляризуються - намагаються зорієнтуватися в напрямку силових ліній (рисунок 11.5). Цій орієнтації заважає тепловий рух м олекул, тому говорять про ступінь поляризації диполів. Чим потужніше поле, тим краще орієнтовані диполі в діелектрику, тобто мають більшу ступінь поляризації. При поляризації заряди в середині діелектрика взаємно компенсують один одного. А на краях діелектрика утворюються некомпенсовані заряди, які називають поверхневими зв’язаними зарядами які створюють власне електричне поле напруженістю Е_в, що має протилежний напрямок напруженості зовнішнього поля Е_з. За принципом суперпозиції ; Е=Е₀-Е_зв поле зв’язаних поверхневих зарядів діелектрика (Е_зв) послаблює зовнішнє поле всередині діелектрика, (Е₀) стає меншим за зовнішнє.

Н еполярні діелектрики – до них відносять H₂;N₂.і т.п. У таких діелектриках центри додатних і від’ємних зарядів молекул співпадають (додатній заряд - це заряд ядра атома, а від’ємний заряд – це заряд електронної хмари атому) (рисунок 11.6). При внесені неполярного діелектрика в електричне поле центри додатних і від’ємних зарядів атомів зміщуються. І далі такий атом поводиться як диполь (рисунок 11.7).

Визначення явища. Діелектрична поляризація - це зміщення електричних зарядів діелектрика під впливом зовнішнього електричного поля, яке зумовлює виникнення внутрішнього електричного поля з протилежним напрямком, наслідком чого є послаблення прикладеного поля.

11.3 Вектор поляризації. Зв'язок між p і е. Діелектрична сприйнятливість речовини

Вектор поляризації

1. Вектор поляризації – це основна кількісна характеристика діелектричної поляризації. Вона показує густину зв’язаних зарядів, що утворюється на поверхні діелектрика при його електризації.

2. Визначення. Вектор поляризації - це дипольний момент одиниці об'єму діелектрика.

3. Це векторна величина

4. , де – сумарний дипольний момент усіх молекул в об’ємі ΔV – фізично безмежно малий об’єм, тобто об’єм, достатньо малий, щоб в його межах можна було вважати постійними макроскопічні величини (наприклад: напруженість поля, густину, температуру та інше), а з другої сторони - повинен містити достатньо велику для усереднення кількість молекул. Окрім того, вектор поляризації є не що інше, як поверхнева густина зв’язаних зарядів.

5. У системі СІ вектор поляризації вимірюється [P] = Кл/м²=В/м.

Зв'язок між P і Е

Як відомо, поверхневі зв’язані заряди створюють власне електричне поле, яке послаблює зовнішнє. Тому поле всередині діелектрика можна знайти, як

Е = Е₀ - Е_зв

З формули слідує, що Е₀=εЕ. Е_зв можна знайти як напруженість поля двох пластин, тобто або , то звідки або .

Позначимо , тоді , де χ – дістала назву «діелектрична сприйнятливість речовини». Дана формула правильна для більшості діелектриків (за винятком сегнетоелектриків).

Діелектрична сприйнятливість речовини χ (капа)

1. Діелектрична сприйнятливість речовини характеризує податливість речовини явищу електричної поляризації.

2. Визначення. Діелектрична сприйнятливість речовини - це фізична величина пропорційна відношенню вектора поляризації до напруженості поля Е в діелектрику.

3. Це скалярна величина і для діелектриків, як правило, позитивна.

4.

5. Діелектрична сприйнятливість є безрозмірною величиною [χ] = 1.