числа микроскопических токов каждого носителя, то скорее следует сказать, провод с переменным током излучает по тому же механизму, по которому излучает ускоренно движущийся заряд.

Переменные токи способны протекать не только в проводниках, но и в диэлектриках и даже в вакууме. Следовательно, ускоренное движение частиц должно приводить к протеканию переменных токов в вакууме, причём везде, где простирается поле частицы. Такие токи именуются токами смещения, их суть и физическое содержание мы рассмотрим в следующем параграфе.

§ 2.4. Диэлектрики и их основные свойства. Лучший в мире диэлектрик

В рамках электростатики принято делить вещества на проводники и диэлектрики. Поскольку проводники способны беспрепятственно проводить заряды, то диэлектрики, соответственно, должны полностью блокировать передвижение зарядов через них. Понятно, что это идеализация и на практике проводники обладают конечной проводимостью, а диэлектрики конечным сопротивлением. На сегодняшнем уровне знаний установлено, что всякое вещество состоит из большого числа элементарных зарядов – как проводники, так и диэлектрики. Но в проводниках возможно перемещение избыточного заряда с места на место на далёкие расстояния, а в диэлектриках оно невозможно. Или крайне затруднено. На микроуровне принято заменять реальные заряды в атомах и молекулах на модельные «диполи». Если такие диполи имеют конечную длину, то молекулы таких диэлектриков именуют полярными. Если же диполи оказываются «бесконечно короткими» в отсутствии внешних полей, то молекулы именуются неполярными. Под действием внешних полей отрицательные заряды таких диполей смещаются относительно положительных, и диполь приобретает конечную длину. Модельная неполярная молекула приобретает дипольный момент. В полярных же молекулах происходит поворот диполей по вектору напряжённости внешнего электрического поля и сложение микрополей. Если же вещество имеет строение в виде двух ионных решёток, вложенных одна в другую, то происходит относительное смещение решёток, и также появляется дипольный момент.

Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появления под воздействием внешнего электрического поля ориентированных по полю диполей.

Соответственно трём вышеописанным группам диэлектриков различают электронную (деформационную), дипольную (ориентационную) и ионную поляризацию. Поляризация приводит к тому, что напряжённость электрического поля внутри диэлектрика не равна напряжённости поля снаружи. Приобретение дипольного момента

P во внешнем поле количественно выражают поляризованностью и относят к единице объёма диэлектрика:

Опытным фактом является, что в сравнительно слабых макроскопических полях почти для всех видов диэлектриков (кроме сегнетоэлектриков) поляризованность P линейно зависит от напряжённости поля E :

(2.24) Pr = χε0 Er ,

84

где χ – безразмерная диэлектрическая восприимчивость вещества. Причём она всегда больше единицы для всех без исключения веществ. Позже мы увидим, что эта же величина является дискриминатором, отделяющим привычную нам вещную материю от пленума, мировой среды. Напомним, что в сильных полях диэлектрическая восприимчивость падает вплоть до единицы. Падает она и с ростом частоты внешнего поля и вообще всегда, когда появляется некий фактор, препятствующий росту среднего дипольного момента.

Диэлектрик, будучи изначально электрически нейтральным телом, во внешнем поле E0 так и остаётся нейтральным, ибо никакие заряды на него не попали. Да и

проводить он их не может. Откуда же взялось поле внутри, отличное от наружного? Оказывается, ориентация диполей по внешнему полю, например, в пластине, привела к тому, что на одной стороне пластины оказались положительные концы диполей, а на другой – отрицательные. Это эквивалентно тому, как если бы мы поместили равные и противоположные по знаку заряды на стороны пластины. Такие заряды называются связанными, поскольку они не могут быть разнесены, да и вообще не существуют в отрыве от своей среды, диэлектрика (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Образование связанных зарядов в диэлектрике и результирующая напряжённость

Результирующая напряжённость поля E внутри диэлектрика примет величину:

(2.25) Er = 1E+0χ = Eε0 ,

где безразмерная величина ε называется диэлектрической проницаемостью среды и показывает, во сколько раз поле в диэлектрической среде ослабляется и характеризует свойство диэлектрика поляризоваться во внешнем поле.

Заметим, что связанные заряды диэлектрика отличаются от свободных зарядов только тем, что их нельзя далеко разнести один от другого. Но их можно приводить в движение, например механическим образом. Движение связанных зарядов вызовет появление токов, в т.ч. и переменных. Токи вызовут магнитные и индукционные явления и т.д. и т.п. Поэтому связанные заряды следует считать вполне равноправными со свободными, за малыми ограничениями на свободу некоторых видов движения. И только!

В этой связи рассмотрим токи смещения, протекающие в диэлектрике под воздействием изменяющегося внешнего поля. Пусть мы имеем дело с неполярным

85

диэлектриком. И пусть изначально поле близко к нулю. Диполи внутри вещества короткие. Эта ситуация изображена на рис. 2.2а. Затем поле усилилось, и диполи вытянулись (рис. 2.2б). Это означает, что отрицательные заряды сдвинулись в одну сторону, а положительные – в другую. Но поскольку направление тока связано не только с направлением движения, но и со знаком заряда (2.21), то токи положительных и отрицательных зарядов оказались сонаправленными и образовали общий ток, именуемый током смещения.

Рис. 2.2. Протекание токов смещения связанных зарядов.

Понятно, что внешнее поле, вызвавшее поляризацию диэлектрика, совершает определённую работу, например, по ориентации или «растягиванию» диполей. Поэтому если мы внесём диэлектрик в поле или вынесем его, то будет затрачена или выделена энергия. Диэлектрик всегда ослабляет поле, в которое его внесли, и, соответственно, внесение диэлектрика энергетически выгодно. Этот факт легко демонстрируется опытом по втягиванию жидкого диэлектрика (например, масла) в зазор заряженного плоского конденсатора (рис. 2.3). Установлено опытным путём, что в неоднородном электрическом поле на диэлектрик действует специфическая пондеромоторная сила, действующая в направлении по нарастанию градиента поля. То есть в неоднородных полях даже на электронейтральные тела действуют электрические силы. Отметим этот факт.

Величина этой силы, установленная многочисленными опытами:

(2.26) F = (P )EV ,

где P – поляризация диэлектрика, E – напряжённость электрического поля, V – объём диэлектрика. Есть и обратное явление: даже в однородном поле при наличии градиента диэлектрической проницаемости внутри диэлектрика действуют силы.

86

Рис. 2.3. Втягивание диэлектрика в неоднородном электрическом поле по направлению градиента поля

Идеальных диэлектриков в природе, конечно же, нет. Любое вещество обладает некоторой, хотя, быть может, и весьма слабой проводимостью. Любое вещество при поляризации нагревается, деформируется и другим образом тратит энергию поля, в которое его внесли. Параметры любого диэлектрика зависят от температуры, влажности, давления и многих других факторов. Но есть один диэлектрик, который используют тогда, когда крайне важна стабильность параметров и идеальность характеристик. Этот диэлектрик – вакуум. Именно так вакуум используется технически в вакуумных конденсаторах как постоянной, так и переменной ёмкости. В техническом смысле вакуум оказывается самым лучшим в мире диэлектриком. Самым идеальным. К сожалению, он экономически дорог. Удерживать вакуум недёшево. «Пустота» оказывается дорогим материалом для человека. Но это в земных условиях. А вот на Луне, к примеру, вакуум – товар весьма дешёвый. Именно поэтому разработчики фар Лунохода не стали экспортировать дорогой вакуум с Земли, чтобы «наполнить» им баллоны осветительных ламп. От баллонов вообще отказались. То есть они просто взяли дешёвый вакуум прямо на Луне. Вот уж поистине идеальный материал для Творца: он практически везде есть, его неограниченное «количество», и он ничего не стоит.

Мы хотим сказать, что вся сумма опыта нашего в отношении веществ и вакуума говорит нам о том, что вакуум это диэлектрик. Так может быть и считать его впредь диэлектриком? Тогда появляется возможность ставить вопросы. Например, какова его поляризуемость? Быть может, ничтожно мала, но всё-таки есть? А какова частотная дисперсия диэлектрической проницаемости?! Быть может, ничтожна, но не равна математическому нулю?! И прочая, и прочая, и прочая. Стоит свойствам вакуума (он же эфир, пленум и мировая среда) оказаться лишь на йоту иными, чем представляется в современной физике, как ввиду огромности пространств во Вселенной заполненных этой

87