Лекция 3. Статическое электрическое поле в веществе

Диэлектрики. Полярные и неполярные молекулы. Диполь в однородном и неоднородном электрических полях. Свободные и связанные (поляризационные) заряды в диэлектриках. Поляризация диэлектриков. Вектор поляризации (поляризованность). Поле в диэлектриках. Электрическое смещение. Диэлектрическая восприимчивость вещества. Относительная диэлектрическая проницаемость среды. Теорема Остроградского-Гаусса для потока вектора индукции электрического поля. Граничные условия на поверхности раздела "диэлектрик-диэлектрик". Электрострикция. Пьезоэлектрический эффект. Сегнетоэлектрики, их свойства и применение. Электрокалорический эффект. Основные уравнения электростатики диэлектриков.

3.1. Диэлектрики. Полярные и неполярные молекулы. Диполь в однородном и неоднородном электрических полях

В твердых телах (проводниках первого рода) носителями зарядов являются свободные электроны проводимости, которые могут перемещаться под действием внешнего электрического поля.

В диэлектриках (непроводниках) количество носителей зарядов в единице объема мало, и их движение под влиянием различных внешних факторов (электрического поля) едва достижимо.

П ри внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле он и поле претерпевают некоторые изменения. Это происходит потому, что действие положительных и отрицательных зарядов атомов и молекул диэлектрика на внешние заряды, расположенные на расстояниях, больших по сравнению с размерами молекул, равно действию их, соответственно, положительного или отрицательного суммарного заряда, размещенного в некоторой воображаемой точке внутри молекул диэлектрика, которые называют центрами "тяжести" зарядов (точки О⁺ и О^- рис. 3.1).

Положение центров "тяжести" зарядов внутри молекул определяется так:

а) для положительных зарядов

; (3.1)

б) для отрицательных зарядов

, (3.2)

где r₊, r_-, r_i⁺, r_i^- - соответствующие радиус-векторы, определяющие положение суммарных и отдельно взятых положительных и отрицательных зарядов;

q_i⁺, q_i^- – величина отдельно взятых зарядов.

В отсутствие внешнего электрического поля центры "тяжести" суммарных положительного и отрицательного зарядов могут либо совпадать, либо не совпадать.

Молекулы, у которых центры "тяжести" зарядов q₊ и q_- в отсутствие внешнего электрического поля не совпадают, называются полярными.

Полярные молекулы, подобно электрическим диполям, обладают собственным электрическим дипольным моментом:

, (3.3)

где l – радиус-вектор, соединяющий центры "тяжести" зарядов. Он направлен от отрицательного заряда к положительному заряду.

П ри внесении полярной молекулы в однородное внешнее электрическое поле на каждый из зарядов действуют равные по величине, но противоположные по знаку силы (рис. 3.2). В результате она поворачивается в нем так, чтобы её электрический дипольный момент совпал по направлению с направлением внешнего электрического поля. Величина собственного электрического дипольного момента при этом не изменяется.

Молекулы, у которых в отсутствие внешнего электрического поля центры "тяжести" зарядов совпадают, называются неполярными. Такие молекулы не обладают собственным электрическим дипольным моментом.

П ри внесении неполярной молекулы в однородное внешнее электрическое поле центры "тяжести" зарядов смещаются. Она поляризуется, приобретает электрический дипольный момент, который по величине пропорционален напряженности внешнего электрического поля (p  E) (рис. 3.3).

Поэтому неполярную молекулу во внешнем электрическом поле тоже можно рассматривать как электрический диполь.

Так как молекулы диэлектриков по своим свойствам можно рассматривать как электрические диполи, то для понимания явлений в диэлектриках необходимо знать, как ведет себя диполь во внешнем электрическом поле. Зная, что происходит с диполем, а следовательно, с полярными или неполярными молекулами во внешнем электрическом поле, можно судить о том, что будет происходить и с диэлектриком, состоящем из соответствующих молекул.