27.Проводники и диэлектрики во внешнем поле

Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле Е складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля Е₀ и внутреннего поля Е`создаваемого заряженными частицами вещества.

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки.

Индукционные заряды создают свое собственное поле Е` которое компенсирует внешнее поле Е₀ во всем объеме проводника: (внутри проводника).

Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.

В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле Е₀ в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные нескомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.

Связанные заряды создают электрическое поле которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженностивнешнего поля. Этот процесс называетсяполяризацией диэлектрика. В результате полное электрическое поле внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше внешнего поля

Физическая величина, равная отношению модуля напряженности внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженностиполного поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества.

 

28.Диэлектрики, диэлектрическая проницаемость, восприимчивость и вектор поляризации

Диэлектрик - вещество, плохо проводящее или совсем не проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10⁸ см⁻³. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле

Диэлектрическую проницаемость проще определить через заряд плоского конденсатора. Если взять плоский конденсатор в вакууме, то заряд на каждой его пластине равен (по модулю): (1.4), где₀ - диэлектрическая постоянная, или диэлектрическая проницаемость вакуума, ₀ = 8.85 · 10^-12 Ф/м,  S- площадь каждой из пластин, d - зазор между пластинами,  U - напряжение между ними. Разделив на площадь и перейдя к плотности заряда на обкладке , получим   =  ₀·E.

Отношение Q_m/Q₀ =  называется диэлектрической проницаемостью материала. Из самого определения видно, что диэлектрическая проницаемость материала является безразмерной величиной.

Суммарный дипольный момент единицы объема называется поляризацией . Вектор поляризации направлен вдоль направления электрического поля. Его значение связано с напряженностью поля P=₀··E, где   - диэлектрическая восприимчивость. Диэлектрическая проницаемость связана с восприимчивостью  =1+. Дипольный момент молекулы являетсявектором поляризации, направленным от отрицательного заряда к положительному. Численно он равен произведению расстояния между зарядами на модуль заряда.

Именно поляризация и вызывает увеличение заряда на обкладках конденсатора при подключенном источнике. Значение плотности заряда на обкладках конденсатора  =P+₀E. Естественно, что в случае вакуума поляризация равна нулю, диэлектрическая проницаемость в точности равна единице.

Для устройств с электрическим полем важно понимать, как изменяется электрическое поле при использовании комбинации двух диэлектриков с разной диэлектрической проницаемостью. Если расположить диэлектрики так, что электрическое поле перпендикулярно поверхности раздела, то значения напряжённости поля в каждом материале обратно пропорциональны диэлектрическим проницаемостям: (1.7.)

В случае, когда электрическое поле параллельно поверхности раздела, напряженности поля в материалах одинаковы. Этот случай можно реализовать, вводя в конденсатор диэлектрик, толщины, равной зазору в конденсаторе. Емкость, при этом, увеличивается существенно, пропорционально объемной доле диэлектрика.

Для понимания процессов в диэлектриках важно знать типичные распределения и значения полей. Наиболее часто используются модельные представления электродных систем, к которым с той или иной степенью приближения можно свести многие реальные электродные системы. Это три типа полей: плоско- параллельное; радиально-цилиндрическое, или аксиальное; радиально-сферическое. Ниже приводятся описание этих полей и необходимые для расчета формулы.