Теоретическая часть.

§1. Электрический диполь. Электрический дипольный момент.

Электрическим диполем называется система двух отличающихся только знаком точечных зарядов +q и -q , расстояние между которыми мало по сравнению с расстоянием до тех точек, в которых рассматривается поле системы. Прямая, проходящая через оба заряда, называется осью диполя. Плечом диполя называется вектор , направленный по оси диполя от отрицательного заряда к положительному и по модулю равный расстоянию между ними.

рис. 1

Произведение положительного заряда диполя на плечо называется электрическим моментом диполя (дипольным электрическим моментом):

. (1.1)

Напряженность поля диполя:

где p - электрический момент диполя; r – модуль радиус-вектора, проведенного от центра диполя к точке, напряженность в которой нас интересует; α - угол между радиус-вектором и плечом диполя .

рис. 2

Напряженности на оси диполя (α= 0) и в точке, лежащей на перпендикуляре к плечу диполя, восстановленному из его середины (α = ), соответственно равны:

Потенциал поля в точке можно вычислить по формуле:

§2. Диполь в однородном и неоднородном электрическом поле. Момент сил, действующий на диполь в электрическом поле.

Однородное внешнее поле:

Поместим диполь во внешнее однородное поле. Полная сила, действующая на диполь, очевидно, равна нулю, из-за того, что силы, действующие на каждый из зарядов, различны по знаку, но одинаковы по модулю:

Поэтому диполь в однородном поле не смещается. Однако на диполь

действует пара сил на расстоянии (плечо пары сил) , где угол 𝜃 -

угол между направлением вектора напряженности поля и дипольным

моментом. Откуда:

Следовательно, момент силы, стремящийся повернуть дипольный момент вдоль направления поля, отличен от нуля:

(2.3)

Наиболее устойчивое положение диполя возникает тогда, когда вектор дипольного момента направлен вдоль вектора напряженности электрического поля. В противном случае (вектор противоположно направлен вектору напряженности), положение равновесия неустойчиво.

Следовательно, в однородном внешнем электрическом поле диполь поворачивается и располагается так, чтобы его дипольный момент был ориентирован по полю.

В неоднородном поле кроме механического момента на точечный диполь действует сила F, которая выталкивает (или втягивает) диполь из поля. В случае поля обладающего, симметрией относительно оси ОХ, сила выражается соотношением:

§3. Полярные и неполярные диэлектрики.

Диэлектриками (или изоляторами) называются вещества, не способные проводить электрический ток.

Молекулы диэлектрика представляют собой электрические диполи. В отсутствии внешнего электрического поля вследствие хаотического теплового движения суммарное поле всех молекул–диполей равно нулю.

У диэлектриков заряды, входящие в состав молекулы, прочно связаны друг с другом и могут быть разъединены только при воздействии на них очень сильного поля. Поэтому заряды, входящие в состав молекул диэлектрика, называются связанными. Под действием внешнего поля связанные заряды разных знаков лишь немного смещаются в противоположные стороны; покинуть пределы молекул, в состав которой они входят, связанные заряды не могут.

Внутри или на поверхности диэлектрика могут находиться заряды, который не входят в состав его молекул. Такие заряды, а также заряды, расположенные за пределами диэлектрика, называются сторонними.

По механизмам поляризации молекул различают полярные и неполярные диэлектрики.

Неполярные диэлектрики (нейтральные) - состоят из неполярных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают. Следовательно, неполярные молекулы не обладают электрическим моментом и их электрический момент равен нулю. Примером практически неполярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных, являются углеводородные материалы, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др.

Полярные диэлектрики (дипольные) - состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают. К полярным диэлектрикам относятся фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др.