- •47 Введение
- •1. Электростатика
- •1.1. Закон Кулона
- •1.2. Электрическое поле и его характеристики
- •1.3. Связь напряженности электрического поля и потенциала
- •1.4. Электрическое поле точечного заряда. Принцип суперпозиции
- •1.5. Графическое изображение электрических полей. Силовые линии и эквипотенциальные поверхности
- •1.6. Теорема Гаусса для электрического поля в вакууме
- •1.7. Проводники в электрическом поле
- •1.8. Электрическое поле в диэлектриках
- •1.9. Теорема Гаусса для электрического поля в диэлектриках
- •1.10. Конденсаторы
- •1.11. Энергия электрического поля
- •1.12. Потенциальность электрического поля. Теорема о циркуляции
1.8. Электрическое поле в диэлектриках
Уменьшение до нуля электрического поля в металлической пластине (см. пример 1.7) было связано с появлением на ее поверхности индуцированных зарядов. Можно предположить, что на поверхностях диэлектрической пластины также появляются заряды противоположных знаков, поле которых частично компенсирует внешнее поле.
Появление на поверхности диэлектрика зарядов во внешнем поле называется поляризацией диэлектрика, а сами заряды – поляризационными.
Откуда же берутся поляризационные заряды? В диэлектриках свободных электронов очень мало, их перемещение по объему диэлектрика крайне затруднено. Такие электроны не смогли бы уменьшить внешнее электрическое поле в несколько раз и на роль поляризационных зарядов не годятся. Основную же роль здесь играют связанные заряды – заряды, входящие в состав атомов и молекул. Эти заряды не могут перемещаться по всему объему вещества, они могут лишь смещаться внутри электрически нейтральных молекул.
Поляризация диэлектрика является результатом поляризации каждой его молекулы (атома). Причем механизм поляризации зависит от свойств молекул диэлектрика. Молекулы могут быть полярными и неполярными. Если центры тяжести всех положительных и отрицательных зарядов молекулы совпадают, то молекула называется неполярной. В противном случае молекула является полярной. В качестве простых примеров можно было бы привести жидкие диэлектрики: вода (Н2О), молекулы которой полярные, и тетрахлорметан ССl4, молекулы которого неполярные.
Рассмотрим вначале механизм поляризации полярных молекул. Полярную молекулу можно приближенно рассматривать как диполь. Диполь (двойной полюс) представляет собой систему двух равных по модулю, но противоположных по знаку зарядов, находящихся на некотором (обычно малом) расстоянии друг от друга (рис. 1.18). Величинаназывается дипольным моментом. Векторпринято направлять от отрицательного заряда к положительному. В случае полярных молекул, состоящих из многих атомов- расстояние между центрами тяжести положительных и отрицательных зарядов молекул, а- полный заряд всех протонов в молекуле.
В случае тонкой диэлектрической пластины, помещенной в однородное внешнее поле с напряженностью , поле поляризационных зарядов можно рассчитать как поле двух равномерно заряженных пластин с поверхностными плотностями зарядови(см. рис. 1.17, 1.20). Таким образом,,и результирующее поле внутри диэлектрика меньше, чем во внешнем пространстве:.
Механизм поляризации диэлектриков, состоящих из неполярных частиц, называется электронным или деформационным. Результат этой поляризации такой же, как и в случае ориентационной поляризации полярных диэлектриков. Поскольку индуцированные диполи ориентированы вдоль поля, на поверхности диэлектрика опять-таки появляются поляризационные заряды, поле которых частично компенсирует внешнее поле.
Существует еще один механизм поляризации диэлектриков, который называется ионной поляризацией. Ионная поляризация наблюдается в твердых ионных кристаллах. Кристаллическая решетка таких кристаллов состоит из подрешетки положительных ионов и подрешетки отрицательных ионов, «вставленных» одна в другую. Под действием электрического поля, к примеру, в кристалле NaCl, подрешетка ионов Na+ будет смещаться по полю, а подрешетка ионов Cl против поля, и на поверхности кристалла появятся поляризационные заряды.
Явление уменьшения напряженности электрического поля в диэлектриках было экспериментально исследовано Фарадеем еще в середине 19 века. Понятно, что полностью объяснить это явление удалось гораздо позднее. Для этого потребовались знания о строении вещества, строении атомов и молекул.