§ 42. Діелектрики і провідники в електричному полі. Поляризація діелектриків. Електроємність. Конденсатори

Діелектрики (ізолятори) складаються з нейтральних атомів і молекул. На відміну від металів, електрони в атомах діелектрика сильно пов'язані зі своїми ядрами. Тому вони не можуть переміщатися під дією електричного поля по усьому об'єму діелектрика. Це означає, що діелектрики не здатні проводити електричний струм.

Існує 2 типи діелектриків: полярні і неполярні. У молекулі полярного діелектрика центри "тяжіння" негативно заряджених електронів і позитивно заряджених ядер атомів, що входять до складу молекули, не співпадають. Таку молекулу можна розглядати як електричний диполь (сукупність двох рівних по модулю різнойменних точкових зарядів, розташованих на деякій відстані один від одного). Диполь характеризується векторною величиною , яка називається дипольним електричним моментом. По модулю дипольний момент дорівнює абсолютному значенню заряду, помноженому на відстань між зарядами. За напрям векторабереться напрям від негативного заряду диполя до позитивного. Внаслідок теплового руху дипольні моменти полярних молекул безладно орієнтовані в об'ємі діелектрика і їх результуючий момент дорівнює нулю.

.

У молекулі неполярного діелектрика центри "тяжіння" негативних і позитивних зарядів співпадають. Тому дипольний момент такої молекули дорівнює нулю, а значить і результуючий момент неполярного діелектрика також дорівнює нулю.

Розглянемо тепер, що станеться з полярним діелектриком, якщо помістити його в зовнішнє електричне поле у вакуумі, напруженість якого становить Е₀. Сили зовнішнього поля прагнутимуть повернути диполі молекул діелектрика уздовж поля і результуючий дипольний момент усього діелектрика вже буде відмінний від нуля (). Внаслідок цього на протилежних гранях діелектрика з'являться пов'язані заряди протилежного знаку, що приведе до виникнення власного електричного поля напруженістюЕ, спрямованого проти зовнішнього поля. Напруженість результуючого поля Е_р усередині діелектрика буде рівна Е₀ - Е. Таким чином, результуюче поле усередині діелектрика буде ослабленим в порівнянні з полем у вакуумі. Величина діелектричної проникності діелектрика ( якраз і показує в скільки разів ослабляється поле усередині діелектрика в порівнянні з полем у вакуумі (=Е₀/Е). Розглянуте явище появи різнойменних пов'язаних зарядів на протилежних гранях полярного діелектрика при внесенні його в зовнішнє електричне поле називається поляризацією діелектрика.

Якщо в зовнішнє електричне поле помістити неполярний діелектрик, то пов'язані заряди кожної молекули діелектрика змістяться в протилежні сторони, утворюючи електричні диполі. Результуючий дипольний момент усього діелектрика буде відмінний від нуля (). Так само, як і у випадку з полярним діелектриком, станеться поляризація неполярного діелектрика, в результаті якої поле усередині діелектрика буде ослабленим в порівнянні з полем у вакуумі.

До провідників відносяться тіла, в яких є вільні (не пов'язані) електричні заряди. Зокрема, в металах вільними електричними зарядами є валентні електрони атомів, з яких складається метал.

У звичайному стані вільні заряди провідників хаотично переміщаються по усьому об’єму тіла. Внесення провідника в зовнішнє електричне поле викличе впорядкований рух вільних зарядів під дією сил цього поля: позитивні заряди рухатимуться у напрямі поля (тобто у напрямі вектора ), негативні - в протилежну сторону (тобто проти напряму вектору). В результаті цього на кінцях провідника виникнуть заряди протилежного знаку, які називаються .індукційними. Перерозподіл вільних зарядів відбуватиметься до тих пір, поки напруженість поля усередині провідника не стане рівною нулю, тобто до тих пір, поки електричне поле усередині провідника зникне. Тоді усі точки провідника, включаючи його поверхню, виявляться еквіпотенціальними (тобто матимуть однаковий потенціал). Якби поле усередині провідника увесь час існувало, то мав би місце безперервний впорядкований рух вільних зарядів під дією сил поля, тобто в провіднику існував би електричний струм без джерела струму, а це суперечило б закону збереження енергії.

Якщо нейтральному провідник має надмірні вільні заряди, вони повинні розподілитися по провідникові так, щоб електричне поле усередині провідника було відсутнє. Відповідно потенціал в будь-якій точці провідника, включаючи поверхню провідника, буде однаковим. Застосовуючи теорему Гауса (3.8) для простору усередині провідника, де поле відсутнє (Е=0), отримаємо: . Цей результат означає, що простір усередині провідника являється електрично нейтральним. Звідси витікає, що усі надмірні вільні заряди, які були передані провідникові, розташовуються на поверхні провідника.