Поляризационные заряды

В результате возникновения поляризации на границах диэлектрика, обращённых, например, к пластинам конденсатора, концы молекулярных диполей окажутся не скомпенсированными соседними диполями, как это имеет место внутри диэлектрика.

Поэтому, как изображено на (рис. 14.3) , на правой грани, обращённой к отрицательной пластине конденсатора, окажется избыток положительного заряда с некоторой поверхностной плотностью +. На противоположной грани диэлектрика, обращённой к положительной пластине конденсатора, окажется избыток отрицательного заряда, с абсолютной величиной поверхностной плотностью -. Эти, так называемые, поляризационные или связанные заряды не могут быть переданы соприкосновением другому телу без разрушения моле­кул диэлектрика, так как они обусловлены самими поляризованными молекулами.

Образование поляризационных зарядов приводит к возникновению дополнительного электрического поля . Как видно из рис. 14.3, внутри диэлектрика это дополнительное поле направлено против внешнего поля и ослабляет последнее.

П оэтому результирующее электрическое поле внутри диэлектрика равно: = - . Дополнительное поле может быть рассчитано как поле, созданное двумя плоскими гранями диэлектрика, равномерно покрытыми поляризационными зарядами с поверхностной плотностью ± . Тогда:

,   æ·₀ . (14.6)

где - нормальная составляющая напряжённости поля Рис. 14.3 Поляризация на внутри диэлектрика.

границах диэлектрика

В соответствии с (14.6) в тех местах, где линии напряжённости выходят из диэлектрика ( >0) на поверхности выступают положительные связанные заряды; там, где линии напряжённости входят в диэлектрик ( <0), появляются отрицательные поверхностные заряды. Формула (14.6) справедлива в случае, когда неоднородный диэлектрик произвольной формы находится в неоднородном электрическом поле. Из рассмотренного механизма поляризации ясно, что вектор всегда направлен вдоль реального поля . Электрическая восприимчивость всегда положительна и >1. В газах поляризация отдельных молекул происходит независимо друг от друга и прямо пропорциональна плотности газа. У диэлектриков с жёсткими диполями ориентационная поляризация и восприимчивость обратно пропорциональны абсолютной температуре.

Электрическое смещение

Связанные заряды отличаются от сторонних лишь тем, что не могут

покинуть пределы молекул, в состав которых они входят. В остальном же, их свойства не отличаются от свойств всех прочих зарядов. В предыдущем разделе мы рассматривали пример плоскопараллельной пластины из диэлектрика, помещённой в однородное электрическое поле . Эта пластина поляризовалась, и приобрела дипольный момент единицы объёма . Дополнительное поле, создаваемое поляризованной пластиной, можно было рассчитать, как поле плоского конденсатора с поверхностной плотностью заряда . Можно показать, что  = . Полная напряжённость поля в диэлектрике:

= + . (14.7)

Следует отметить, что вне диэлектрика поляризация отсутствует и =0 и автоматически . При не слишком сильных полях в соответствии с (14.4) вектор поляризации пропорционален напряжённости поля и = æ·₀ . По определению вектора электростатической индукции имеем: =₀ . Сопоставляя (14.1) и (14.7), можем окончательно записать:

=₀ + . (14.8)

Подставив в выражение (14.8) из (14.4) получим:

= ₀( + æ )= ₀(1 + æ). (14.9)

Итак, электрическим смещением называется величина, определяемая соотношением (14.9). Безразмерную величину =1+æ называют относительной проницаемостью или просто диэлектрической проницаемостью среды. Таким образом, соотношение (14.9) можно записать в виде = ₀ . Напомним, что в анизотропных диэлектриках векторы и , вообще говоря, неколлинеарны. Единицей электрического смещения служит кулон на квадратный метр (Кл/м²). Источниками поля вектора служат только сторонние заряды. Поэтому линии смещения могут начинаться или заканчиваться лишь на сторонних зарядах. Через точки нахождения связанных зарядов, линии вектора смещения проходят, не прерываясь.

Литература:

Осн. 4 [115-147], 5 [96-194].

Контрольные вопросы:

1. От чего зависит ёмкость конденсатора?

2. Какие существуют типы диэлектриков? В чём заключается их отличие?

3. Какая физическая величина называется поляризованностью?

4. Дайте определение электрического смещения.