§ 1.14. Диэлектрики в электростатическом поле

Взаимодействие заряженных тел в однородном диэлект­рике ослабляется в г раз (г — диэлектрическая проница­емость среды). Выясним, почему это происходит.

Как влияет диэлектрик на электростатическое поле?

С помощью простого опыта можно убедиться в том, что не­заряженный диэлектрик может создавать электрическое поле. На рисунке 1.52 вы видите заряженный электрометр с метал­лическим диском на конце стержня. Если к диску электромет­ра поднести незаряженный диэлектрик, например толстое стекло, то стрелка электрометра слегка приблизится к стерж­ню (рис. 1.53). Это может произойти только в том случае, если диэлектрик, помещенный в электрическое поле заряженного диска, сам создает электрическое поле. Это поле влияет на рас­пределение заряда в стержне и диске электрометра, уменьшая заряд стрелки и увеличивая соответственно заряд диска. Сле­довательно, диэлектрик, оставаясь нейтральным, создает электрическое поле, напряженность которого направлена противоположно напряженности поля, созданного заряжен­ным телом. Ведь согласно принципу суперпозиции напряжен­ность электрического поля всегда равна сумме напряженностей полей, созданных в данной точке всеми заряженными час­тицами.

Электрические свойства нейтральных атомов и молекул

Чтобы понять, как незаряженный диэлектрик создает элект­рическое поле, надо сначала познакомиться с электрическими свойствами нейтральных атомов и молекул.

А томы и молекулы состоят из положительно заряженных частиц — ядер и отрицательно заряженных частиц — электро­нов. На рисунке 1.54 изображена схема простейшего атома — атома водорода. Положительный заряд атома, заряд его ядра, сосредоточен в центре атома. Электрон движется в атоме с большой скоростью ~ 10⁶ м/с. Один оборот вокруг ядра он де­лает за очень малое время, порядка 10^-15 с. Поэтому, напри­мер, уже за 10^-9 с он успевает совершить миллион оборотов и, следовательно, миллион раз побывает в двух любых точках 1 и 2, расположенных симметрично относительно ядра. Это дает основание считать, что даже за очень малый промежуток вре­мени центр распределения отрицательного заряда приходится на середину атома, т. е. совпадает с положительно заряжен­ным ядром (рис. 1.55, штриховыми окружностями показан ряд положений электрона).

Однако так обстоит дело не всегда. Рассмотрим молекулу поваренной соли NaCl. Атом натрия имеет во внешней оболоч­ке один валентный электрон, слабо связанный с атомом. У хло­ра семь валентных электронов. При образовании молекулы единственный валентный электрон натрия захватывается хлором. Оба нейтральных атома превращаются в систему из двух ионов с зарядами противоположных знаков (рис. 1.56). Положительный и отрицательный заряды не распределены теперь симметрично по объему молекулы: центр распределе­ния положительного заряда приходится на ион натрия, а от­рицательного — на ион хлора.

Электрический диполь

На большом расстоянии от молекулы ее можно приближен­но рассматривать как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, находящих­ся на некотором расстоянии l друг от друга (рис. 1.57). Такую нейтральную в целом систему зарядов называют электри­ческим диполем.

Электрические свойства диполя характеризуются электри­ческим дипольным моментом. Электрический мо­мент диполя равен произведению модуля одного из электри­ческих зарядов диполя на вектор l, проведенный от отрица­тельного заряда диполя к положительному:

Дипольным моментом обладает, например, молекула воды. Однако распределение электрических зарядов у молекулы Н₂0 гораздо сложнее, чем у NaCl. Устроена молекула воды

п риблизительно следующим образом. Из восьми электронов атома кислорода два находятся вблизи ядра. Пара электронов с внешней оболочки спаривается с двумя электронами атомов водорода, удерживая все три атома (один кислорода и два водорода) друг около друга. Остающиеся четыре электрона движутся парами по орбитам, простирающимся в стороны, противоположные атомам водорода. Примерная схема элек­тронных орбит в молекуле воды изображена на рисунке 1.58. Верхняя по рисунку часть молекулы имеет положительный заряд, а нижняя — отрицательный. В результате молекулу на большом расстоянии тоже можно рассматривать как электри­ческий диполь. Электрический дипольный момент молекулы воды по сравнению с дипольными моментами других молекул

оказывается большим: р = 1,87 • 10^-18 СГСЭ .

Два вида диэлектриков

Диэлектрики можно разделить на два вида:

полярные, состоящие из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают;

неполярные, состоящие из атомов и молекул, у кото­рых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают.

К полярным диэлектрикам относятся спирты, вода и дру­гие вещества; к неполярным — инертные газы, кислород, во­дород, бензол, полиэтилен и др.

Поляризация диэлектриков.

Поляризация полярных диэлектриков

П усть полярный диэлектрик расположен между двумя па­раллельными металлическими пластинами. Если пластины не заряжены и, следовательно, напряженность поля между пластинами равна нулю, то диполи молекул диэлектрика ори­ентированы хаотически (рис. 1.59). Вследствие этого во всех участках диэлектрика положительные и отрицательные заря­ды диполей различных молекул в среднем компенсируют друг друга. Электрическое поле диэлектрик не создает.

Ч то же произойдет в диэлектрике, когда пластинам сообщены заряды, одинаковые по модулю и противоположные по знаку? Если размеры пластин много больше расстояния между ними, то возникает электрическое поле, которое вдали от краев пластин мож­но считать однородным. Со стороны этого поля на молекулу, представляющую собой диполь, действуют две силы, одинаковые по модулю и противоположные по направлению (рис. 1.60, а). Они создают момент силы, стремящийся повер­нуть диполь так, чтобы его ось была направлена по линии на­пряженности поля (рис. 1.60, б). Этому, однако, препятствует тепловое движение, приводящее к хаотической ориентации диполей. В результате полная ориентация может быть достиг­нута лишь в сильных полях при температурах, близких к аб­солютному нулю. В обычных условиях получается состояние с преимущественной ориентацией диполей вдоль поля. Это зна­чит, что в среднем число диполей, ориентированных вдоль по­ля, больше, чем против поля (рис. 1.61). На рисунке видно, что вследствие преимущественной ориентации диполей вдоль поля у положительно заряженной пластины появляются отри­цательные заряды диполей, а у отрицательно заряженной — положительные. В результате на поверхности диэлектрика появляется поверхностный связанный заряд с определенной плотностью а'. Внутри диэлектрика отрицательные и положи­тельные заряды диполей компенсируют друг друга и средний электрический заряд равен нулю.

Смещение положительных и отрицательных связанных за­рядов диэлектрика в противоположные стороны называют по­ляризацией.