15.1. Диполь во внешнем электрическом поле

Э лектрический диполь – это система двух равных по модулю разноименных точечных зарядов и , расстояние между которыми значительно меньше расстояния до рассматриваемых точек поля.

Вектор, направленный по оси диполя (прямой, проходящей через оба заряда) от отрицательного заряда к положительному и равный расстоянию между ними, называется плечом диполя (рис. 15.1.1).

Вектор , совпадающий по направлению с плечом диполя и равный произведению заряда на плечо, называется электрическим моментом диполя или дипольным моментом: .

Е сли диполь поместить в однородное электрическое поле, то образующие диполь заряды окажутся под действием равных по величине, по противоположно направленных сил и (рис. 15.1.2). Силы образуют пару сил, плечо которой равно , то есть зависит от ориентации диполя во внешнем поле. Механический момент этой пары сил равен:

.

Эта формула может быть записана в векторной форме:

.

Механический момент пары сил стремится повернуть диполь так, чтобы его электрический момент установился по направлению поля.

15.2. Типы диэлектриков. Основные виды поляризации диэлектриков

Диэлектрик (изолятор), как любое вещество, состоит из атомов и молекул. Положительный заряд сосредоточен в ядрах атомов, а отрицательный – в электронных оболочках. Суммарный заряд ядер и электронов равен нулю. Следовательно, молекулу можно рассматривать как диполь, положительный заряд которого равен суммарному заряду ядер молекулы и находится в центре тяжести этих ядер, а отрицательный заряд равен суммарному заряду электронов и помещается в их центре тяжести. Плечо диполя сопоставимо по величине с размером молекулы.

П роведем классификацию диэлектриков.

1. П ервую группу диэлектриков составляют вещества, между атомами в молекуле которых действуют неполярные связи, вследствие чего молекулы имеют симметричное строение: центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают . Молекулы таких диэлектриков называются неполярными. На рис. 15.2.1 схематично показано строение неполярной молекулы водорода. При отсутствии внешнего электрического поля плечо диполя равно нулю и, следовательно, равен нулю дипольный момент отдельных молекул (рис. 15.2.2, а) В электрическом поле электронное облако молекулы деформируется, вследствие чего центры тяжести положительных и отрицательных зарядов смещаются и молекула приобретает наведенный дипольный момент, то есть поляризуется (рис. 15.2.2, б). Этот вид поляризации называется поляризацией электронного смещения.

2 . Вторую группу диэлектриков составляют вещества между атомами в молекуле которых действуют полярные связи, вследствие чего молекулы имеют асимметричное строение: центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают . Таким образом, молекулы таких диэлектриков в отсутствии внешнего поля уже обладают собственным дипольным моментом и называются полярными. На рис. 15.2.3 схематично показано строение полярной молекулы воды.

Однако при отсутствии внешнего поля дипольные моменты полярных молекул вследствие теплового движения ориентированы в пространстве хаотично и их результирующий момент равен нулю (рис. 15.2.4, а). Если диэлектрик внести во внешнее поле, то дипольные моменты отдельных молекул ориентируются по полю и диэлектрик поляризуется (рис. 15.2.4, б). Этот вид поляризации называется ориентационной или дипольной.

3. Третью группу диэлектриков составляют вещества, имеющие ионное кристаллическое строение ( ). Ионные кристаллы построены из положительных и отрицательных ионов, образующих как бы две кристаллические подрешетки, сдвинутые одна относительно другой на половину периода. Ионный кристалл можно рассматривать как одну большую «молекулу». В электрическом поле ионы противоположного знака смещаются друг относительно друга в разные стороны (происходит деформация кристаллической решетки, в результате чего кристалл приобретает макроскопический дипольный момент (рис. 15.2.5)). Такой вид поляризации называется поляризацией ионного смещения (ионной поляризацией).

П римечание. Явление поляризации диэлектрика имеет сходство с индукцией в проводниках. Однако между ними имеется отличие.

В проводниках (например, металлах) есть свободные заряды, способные перемещаться в пределах всего объема проводника. Поэтому, разъединяя в электрическом поле проводник на части, можно отделить друг от друга индукционные заряды, и после исчезновения поля проводник окажется заряженным (рис. 15.2.4, а).

В диэлектриках заряды смещаются лишь в пределах отдельных молекул, поэтому их разделить нельзя. Такие заряды называются связанными. После устранения поля каждая часть диэлектрика остается незаряженной (рис. 15.2.4, б).