2. Поляризация диэлектриков и поляризованность
Поляризация диэлектрика — это процесс ориентации диполей или появления под действием внешнего электрического поля индуцированных дипольных моментов в объёме диэлектрика. В результате поляризации на поверхностях диэлектрика возникают связанные (поляризационные) заряды, которые создают собственное внутреннее электрическое поле.
Механизмы поляризации:
Электронная (деформационная) поляризация: Происходит в неполярных диэлектриках. Под действием внешнего поля электронные оболочки атомов смещаются относительно ядер, в результате чего каждая молекула приобретает наведённый (индуцированный) дипольный момент.
Ориентационная (дипольная) поляризация: Происходит в полярных диэлектриках. Внешнее поле стремится повернуть (ориентировать) существующие дипольные моменты молекул в направлении поля. Тепловое движение мешает полной ориентации.
Для количественной
характеристики степени поляризации
вводится векторная величина —
поляризованность (
).
Поляризованность — это дипольный момент единицы объёма диэлектрика.
где
— суммарный дипольный момент всех
молекул в малом объёме
.
Поляризованность связана с
напряжённостью поля
внутри диэлектрика:
где:
— электрическая постоянная,
— диэлектрическая проницаемость среды,
(хи) — диэлектрическая восприимчивость
вещества.
3. Напряжённость поля в диэлектрике
Когда диэлектрик помещают
во внешнее электростатическое поле с
напряжённостью
,
он поляризуется. Возникшие на его
поверхности связанные заряды создают
собственное внутреннее поле
,
направленное против внешнего поля
.
Результирующее поле внутри диэлектрика является векторной суммой внешнего и внутреннего полей:
Так как направлено против , по модулю результирующее поле оказывается ослабленным.
Диэлектрическая проницаемость среды ( ) — это безразмерная физическая величина, которая показывает, во сколько раз модуль напряжённости электрического поля в однородном диэлектрике меньше модуля напряжённости поля в вакууме:
Отсюда, напряжённость поля внутри диэлектрика:
Важно: Диэлектрическая
проницаемость всегда больше или равна
единице (
).
Для вакуума
.
Чем лучше диэлектрик, тем больше значение
.
Электрическое смещение. Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике. Граничные условия на границе раздела двух диэлектриков.
1. Вектор электрического смещения ( )
При внесении диэлектрика во внешнее поле он поляризуется. Внутри него возникает собственное поле связанных зарядов . Результирующее поле оказывается ослабленным.
Расчет поля с учётом поляризации может быть сложным. Чтобы упростить описание поля в диэлектриках, вводят вспомогательную векторную величину — электрическое смещение (или электрическая индукция) .
Главное свойство вектора — он описывает поле, созданное только свободными зарядами. Он "игнорирует" связанные заряды, возникающие в диэлектрике.
Вектор смещения определяется формулой:
где: — электрическая постоянная, — результирующая напряжённость поля в диэлектрике, — вектор поляризованности.
Для изотропных диэлектриков (свойства которых одинаковы по всем направлениям) связь между и простая:
где — диэлектрическая проницаемость среды.
Единица измерения в СИ: кулон на метр в квадрате (Кл/м²).