11.1 Диэлектрики в электрическом поле
Диэлектрики – вещества, плохо проводящие электрический ток по сравнению с проводниками из-за малой концентрации подвижных зарядов.
Диэлектрики, в отличие от металлов, плохо проводят электрический ток. Диэлектрик введен в употребление Фарадеем для обозначения сред, через которые проникает электрическое поле. Под действием внешнего электрического поля заряды в молекулах смещаются из положения равновесия на межатомные расстояния. Молекулу можно рассматривать как электрический диполь с электрическим моментом p=ql.
где q- суммарный электрический заряд,
l- вектор, проведённый из « центра тяжести» электронов в «центр тяжести» положительных зарядов молекул.
3 типа диэлектриков:
Неполярный диэлектрик (l =0),
в отсутствии электрического поля «центры тяжести» - и + зарядов молекул совпадают .
Во внешнем электрическом поле «центры тяжести» - и + зарядов молекул смещаются. Происходит поляризация диэлектрика. Молекулы превращаются в электрические диполи, + заряды ориентированы по направлению поля (электронная поляризуемость).
Полярный диэлектрик (l ≠ 0),
«центры тяжести» - и + зарядов молекул не совпадают. Полярные молекулы имеют собственный дипольный момент. При Е=0 благодаря хаотичному тепловому движению р молекул не ориентированы При Е ≠ 0 молекулы выстраиваются своими дипольными моментами вдоль линий поля и диэлектрик поляризуется(ориентационная поляризуемость)
Ионные диэлектрики
построены из ионов разного знака (кристалл поваренной соли Na+Cl-) Ионные диэлектрики состоят из двух подрешеток: положительных и отрицательных ионов. Во внешнем электрическом поле подрешетки сдвигаются в разные стороны, происходит поляризация диэлектриков (ионная поляризуемость)
11.2 Вектор поляризации
Д
ля
количественного описания поляризации
диэлектриков вводится понятие вектора
поляризации P,
численно равный дипольному моменту
единицы объема диэлектрика при его
поляризации.
где Рср – средний дипольный момент
единицы объема, направлен вдоль вектора электрического поля. Рср = pN, N – концентрация частиц; р – средний дипольный момент одной молекулы.
Если поместить диэлектрик в однородное электрическое поле Е0, на его поверхности появятся поляризационные заряды с поверхностной плотностью sпол.
Поле поляризационных зарядов Епол направлено против внешнего электрического поля Е0, созданного свободными зарядами; Е = Е0 + Епол – результирующее поле в диэлектрике. P – вектор поляризации, sпол = (P,n)
P диэлектрика, находящегося во внешнем электрическом поле.
П
усть
S
– площадь основания параллелепипеда,
l
– вектор, проведенный от о
трицательного
к положительному основанию.
Тогда
Объем параллелепипеда равен V = S(n,l), где n - вектор нормали, проведенной к основанию положительно заряженного параллелепипеда. Используя данное соотношение для V, получаем (P,n)= sпол Вектор поляризации равен поверхностной плотности заряда
В
еличина
напряженности поля в поляризованном
диэлектрике согласно теореме Гаусса,
равна:
sсвоб - заряд на обкладках металлических пластин
Для
большинства диэлектриков справедлива
линейная зависимость P
от Е
P
= e0E.
- диэлектрическая
восприимчивость диэлектрика
О
тсюда
поле в диэлектрике равно
Н
апряженность
электрического поля в диэлектрике E
в
e = (1 + ) раз меньше исходного поля.
e называется диэлектрической проницаемостью и характеризует электрические свойства диэлектрика.
Т
очечные
заряды, помещенные в диэлектрик, будут
взаимодействовать с силой
F в e раз меньше, чем в вакууме F0.