
- •1. Электрический диполь
- •2. Магнитный диполь, его взаимодействие с полем
- •3. Взаимодействие электрического поля
- •3.4. Определите поляризованность пластинки из антимонида индия, которая находится между обкладками плоского конденсатора. Поверхностная плотность заряда на пластинах конденсатора 12,1 мКл/м2.
- •4. Взаимодействие магнитного поля
- •5. Взаимодействие магнитного поля с веществом:
- •6. ТаБлицы и справочные сведения
- •7. Контрольные вопросы
- •644046, Г. Омск, пр. Маркса, 35
3. Взаимодействие электрического поля
С ВЕЩЕСТВОМ: ДИЭЛЕКТРИКИ И ПОЛУПРОВОДНИКИ
Между диэлектриками и полупроводниками нет принципиальной разницы: их проводимость зависит от температуры одинаковым образом, в них ничтожно число свободных носителей тока. Поэтому дальше мы будем говорить только о диэлектриках, подразумевая при этом и полупроводники.
Внешнее
ЭП
поляризует диэлектрик, т. е. приводит к
перераспределению связанных зарядов
в нем. Можно выделить два механизма
этого перераспределения: ориентационный
и электронный.
Ориентационный механизм характерен для диэлектрика, состоящего из полярных молекул (полярный диэлектрик). Такие молекулы имеют ненулевой электрический дипольный момент в отсутствие поля. Если такой диэлектрик поместить в поле, то молекулы-диполи приобретают преимущественную ориентацию, как это показано на рис. 3.1.
|
|
а |
б |
Рис. 3.1. Полярный диэлектрик: а в отсутствие поля; б при наличии поля (стрелками показаны электрические дипольные моменты молекул) |
Электронный механизм характерен для диэлектрика, состоящего из неполярных молекул (неполярный диэлектрик). Такие молекулы имеют нулевой электрический дипольный момент в отсутствие поля. Если такой диэлектрик поместить в поле, то каждая молекула приобретает индуцированный дипольный момент, как показано на рис. 3.2, из которого видно, что дипольные моменты всех атомов у неполярных диэлектриков выстроены по полю, а значит, имеют одно и то же направление.
Электрический дипольный момент полярной молекулы (атома) вычисляется по формуле:
. (3.1)
Коэффициент
называется поляризуемостью молекулы
(атома). Поляризуемость некоторых молекул
и атомов можно найти с помощью табл.
6.3.
E
=
0 |
|
а |
б |
Рис. 3.2. Неполярный диэлектрик: а в отсутствие поля; б при наличии поля (стрелками обозначены электрические дипольные моменты молекул) |
Каков
бы ни был механизм поляризуемости
диэлектрика, результирующее поле
внутри него обычно оказывается ослабленным
по сравнению с внешним. Количественно
поляризация характеризуется дипольным
моментом единицы объема – так называемой
поляризованностью, ее определение имеет
вид:
.
(3.2)
В
слабых полях для изотропных диэлектриков
поляризованность пропорциональна
:
.
(3.3)
Здесь
(каппа) – диэлектрическая восприимчивость
диэлектрика, которая связана с
диэлектрической проницаемостью ε
соотношением:
.
(3.4)
Значения
диэлектрической проницаемости некоторых
веществ при комнатной температуре
приведены в табл. 6.4. Поскольку
постоянное электрическое поле в металлы
не проникает, для металлов при постоянном
внешнем поле
.
Значения диэлектрической проницаемости одного и того же вещества в переменном и постоянном электрических полях могут значительно различаться. Особенно важно знать зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для периодического поля, которое создает электромагнитная волна. Дело в том, что через диэлектрическую проницаемость выражается показатель преломления прозрачного вещества n:
.
(3.5)
Для
обычных природных прозрачных веществ,
как правило, магнитная проницаемость
.Зависимость
диэлектрической
проницаемости
от частоты электрического поля
(электромагнитной волны)
приближенно выражается формулой:
.
(3.6)
Здесь
– концентрация атомов в веществе;
– собственная (резонансная) частота
электрона с номеромi,
всего в атоме Z
электронов. Формула (3.6)
справедлива, если частота волны
существенно отличается от ближайшей к
ней резонансной частоты
:
.
В таком случаедиэлектрическая
проницаемость
(и показатель преломления) возрастает
с увеличением .
Экспериментально
обнаружить эту зависимость можно на
примере разложения белого света в спектр
(радуга): для каждой длины волны (или
частоты) света свой показатель преломления.
Зависимость показателя преломления
среды (или, то же самое, скорости света
в этой среде) от
(или )
называют дисперсией. Если n
с ростом
увеличивается, то дисперсию именуют
нормальной; в противоположном случае
– аномальной.
Вблизи собственных частот диэлектрическая проницаемость становится отрицательной, а показатель преломления – комплексным. Это соответствует сильному поглощению света.
Значения
диэлектрической проницаемости некоторых
веществ при
приведены
в табл. 6.5.
В начале 2000-х гг. доказано, что можно реализовать искусственные материалы (обычно неоднородные или многослойные) с совершенно необычными свойствами. Среди таких метаматериалов есть вещества с отрицательным показателем преломления. С помощью них добиваются эффекта «шапки-невидимки». Нетрудно понять, что детали таких исследований засекречены.
Вопросы и задачи
3.1. Дайте сравнительную характеристику диэлектрической проницаемости и диэлектрической восприимчивости вещества
3.2. Дайте сравнительную характеристику напряженности электрического поля и электрической индукции.
3.3. Дайте сравнительную характеристику диэлектрической проницаемости вещества и его поляризованности.