9. Электрическое поле в веществе.

Микро- и макрополе. Истинное электрическое поле в любом веществе - его называют микрополем - меняется весьма резко как в пространстве, так и во времени. Оно различно в разных точках атомов и промежутках между ними. Чтобы найти напряженность Е истинного поля в некоторой точке в данный момент, нужно было бы сложить напряженности полей всех отдельных заряженных частиц вещества - электронов и ядер. Решение этой задачи, очевидно, является совершенно нереальным. Да и сам результат оказался бы настолько сложным, что его просто нельзя было бы использовать.

Более того, для решения макроскопических задач такое поле и вовсе не нужно. для многих целей достаточно более простое и несравненно более грубое описание, которым мы и будем пользоваться в дальнейшем. Под электрическим полем Е в веществе его называют макрополем мы будем понимать пространственно-усредненное микрополе (после пространственного усреднения временное усреднение уже не требуется). Это усреднение проводится по так называемому физически бесконечно малому объему – объему, содержащему большое число атомов, но имеющему размеры во много раз меньше, чем те расстояния, на которых макрополе меняется заметно. усреднение по таким объемам сглаживает все нерегулярные и быстро меняющиеся вариации микрополя на расстояниях поряд-ка атомных, но сохраняет плавные изменения макрополя на макроскопических расстояниях. Итак, поле в веществе

Влияние вещества на поле. При внесении любого Вещества в электрическое поле в веществе происходит смещение положительных и отрицательных зарядов (ядер и электронов) . что в свою очередь приводит к частичному разделению этих зарядов. В тех или иных местах вещества появляются нескомпенсированные заряды различного знака. Это явление называют электро-статической индукцией, а появившиеся

в результате разделения заряды – индуцированными зарядами. Индуцированные заряды создают дополнительное электрическое поле, которое вместе с исходным (внешним) электрическим полем образует результирующее поле. Зная внешнее поле и распределение индуцированных зарядов, можно при нахождении результирующего воля уже не обращать внимание на наличие самого вещества его роль уже учтена с помощью индуцированных зарядов. Таким образом, результирующее поле при наличии вещества, определяется просто как суперпозиция внешнего поля и поля индуцированных зарядов. однако во многих случаях дело усложняется тем, что мы заранее не знаем, как распределяются в пространстве все эти заряды – задача оказывается далеко не такой простой, как могло бы показаться вначале.

10. Поляризация диэлектриков.

Поляризация – ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.

О явлениях, обусловленных поляризацией диэлектрика, можно судить по значению диэлектрической проницаемости, а также угла диэлектрических потерь, если поляризация сопровождается рассеянием энергии, вызывающим нагрев диэлектрика.

В чем же заключается принцип поляризации: Под влиянием электрического поля связанные электрические заряды диэлектрика смещаются в направлении действующих на них сил и тем больше, чем выше напряженность поля. При снятии электрического поля заряды возвращаются в исходное состояние. В полярных диэлектриках, содержащих дипольные молекулы, воздействие электрического поля вызывает еще и ориентацию диполей в направлении поля. При отсутствии поля диполи дезориентируются вследствие теплового движения.

Большинство диэлектриков характеризуются линейной зависимостью электрического смещения, т.е. поляризации от напряженности электрического поля, созданного в диэлектрике. Особую группу составляют диэлектрики, в которых с изменением напряженности поля смещение меняется нелинейно, обнаруживая насыщение при некотором значении напряженности поля. Такие диэлектрики называются сегнетоэлектриками. Наименование «сегнетоэлектрик» связано с тем, что нелинейность поляризации впервые была обнаружена у сегнетовой соли. Именно с помощью данного вещества в 1855 французский аптекарь открыл явление электрического старения, выражающееся в уменьшении диэлектрической проницаемости со временем.

11. Поверхностная плотность индуцированных зарядов.

12. Теорема Гаусса для электростатического поля в среде.

т. е. поток вектора смещения электростатического поля в диэлектрике сквозь любую замкнутую поверхность равен алгебраической сумме свободных электрических зарядов, заключенных внутри этой поверхности. В такой форме теорема Гаусса верна для электростатического поля как для однородной и изотропной, так и для неоднородной и анизотропной сред.

Для вакуума Dn = ε0En (ε=1), и поток вектора напряженности Е сквозь произвольно выбранную замкнутую поверхность равен

Так как источниками поля Е в среде являются как свободные, так и связанные заряды, то теорему Гаусса для поля Е в самом общем виде можно записать как

где ∑Qi и ∑Qsv— соответственно алгебраические суммы свободных и связанных зарядов, которые охватываются замкнутой поверхностью S. Но эта формула неприменима для описания поля Е в диэлектрике, поскольку она выражает свойства неизвестного поля Е через связанные заряды, которые, в свою очередь, определяются им же. Это еще раз показывает целесообразность введения вектора электрического смещения.

Напряженность электростатического поля, как следует из ранее полученной формулы E=E0/ε , зависит от свойств среды: в однородной изотропной среде напряженность поля Е обратно пропорциональна ε. Вектор напряженности Е, при переходе через границу диэлектриков, испытывает скачкообразное изменение, тем самым делая неудобства при расчетах электростатических полей. Поэтому необходимо помимо вектора напряженности характеризовать поле еще вектором электрического смещения, который для электрически изотропной среды, по определению, равен

Поскольку ε=1+θ и P=θε0E , вектор электрического смещения равен

Единица электрического смещения — кулон на метр в квадрате (Кл/м2)