Свободные и связанные заряды. Поляризация вещества

Свободными называют заряды, которые под воздействием сил поля могут свободно перемещаться в веществе. Их перемещение не ограничивается внутримолекулярными силами.

Связанными электрическими зарядами называют заряды, входящие в состав атомов и молекул вещества и удерживаемые в определенных положениях внутримолекулярными силами. Сумма положительных связанных зарядов в веществе равна сумме отрицательных, поэтому при отсутствии внешнего электрического поля диэлектрик в целом можно считать электрически нейтральным.

По сравнению с проводниками свободных заряженных частиц в единице объема диэлектрика очень мало. Поэтому при наличии электрического поля направленным движением свободных заряженных частиц можно пренебречь.

Различают диэлектрики с полярными и неполярными молекулами.

Полярные молекулы в электрическом отношении можно уподобить электрическому диполю (рис. 39.1,а). Электрическим диполем называют совокупность двух точечных заряженных тел, обладающих равными по величине и противоположными по знаку зарядами, расстояние между которыми очень мало по сравнению с расстоянием от них до точек, в которых рассматривается поле диполя.

Электрической характеристикой диполя является его электрический момент р _э, численное значение которого равно произведению величины зарядов точечных тел на расстояние между ними:

(39.1)

Вектор электрического момента направлен от отрицательного заряда к положительному.

При отсутствии внешнего электрического поля молекулы в диэлектрике расположены так, что электрические моменты их направлены беспорядочно. Поэтому тела, в состав которых входят полярные молекулы, в целом нейтральны.

Если такой диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле, то каждый диполь будет испытывать действие пары сил, которые поворачивают его таким образом, что электрический момент диполя

оказывается направленным так же, как и напряженность поля (рис.39.1,б).

В неполярных молекулах диэлектрика под действием внешнего электрического поля происходит смещение заряженных частиц вдоль направления поля, в результате чего они приобретают свойство диполей.

Это явление называется поляризацией диэлектрика.

Степень поляризации оценивают вектором поляризованности Р _э. Для однородного диэлектрика величина вектора поляризованности представляет геометрическую сумму электрических моментов молекул, заключенных в единице объема:

(39.2)

Поляризованность тем больше, чем сильнее электрическое поле. Зависит она и от свойств диэлектрика. Ее можно выразить произведением

(39.3)

где k _э – диэлектрическая восприимчивость, характеризующая способность диэлектрика поляризоваться под действием электрического поля.

В результате поляризации диэлектрика диполи стремятся располагаться вдоль линий напряженности электрического поля. При этом внутри диэлектрика в любом объеме, не меньшем объема молекулы, сохраняется равенство зарядов того и другого знака, так что диэлектрик остается нейтральным. По поверхностям же диэлектрика, прилегающим к электродам, создающим электрическое поле, распределены частицы, обладающие зарядом одного знака: отрицательным на границе с положительным электродом и положительным на границе с отрицательным электродом. На обеих поверхностях заряд распределен равномерно с одинаковой плотностью

Таким образом, на границе между металлическим электродом и диэлектриком распределены два вида заряженных частиц: свободные частицы металлического электрода с общим зарядом q ₀ и связанные частицы диэлектрика с общим зарядом q_п противоположного знака.

Электрическое поле соответствует общему заряду частиц ; оно физически существует в пустоте, в пространстве между молекулами диэлектрика. Это поле можно представить как результат наложения двух полей – внешнего (напряженность Е ₀) и внутреннего (напряженность Е_п).

При внесении диэлектрика в пространство между металлическими электродами электрическое поле становится слабее того поля, которое создается при отсутствии диэлектрика, т.е. Е < Е ₀. Это обстоятельство можно формально учесть, введя в выражения определяющие напряженность поля, вместо электрической постоянной величину > , считая заряд по-прежнему равным заряду q ₀ свободных частиц. Величина называется диэлектрической проницаемостью вещества (абсолютной диэлектрической проницаемостью). Она наряду с диэлектрической восприимчивостью характеризует электрические свойства диэлектрика.

2. Вектор электрического смещения

Кроме векторов и в электротехнических расчетах используют еще вектор электрического смещения (электрической индукции)

Вектор равен сумме двух векторов: вектора ε ₀ , характеризующего поле в вакууме, и вектора поляризации :

(39.4)

С учетом (39.3)

(39.5)

В этой формуле величина характеризует только электрическое поле в пустоте. Другим слагаемым учитывается явление поляризации диэлектрика. Величина , зависящая от свойств диэлектрика, и есть диэлектрическая проницаемость вещества.