Поляризация диэлектриков в электрическом поле

Тема 2. Электрическое поле в диэлектриках

    К диэлектрикам (изоляторам) относятся вещества, в которых нет свободных электрических зарядов, способных перемещаться в объеме тела. Атомы и молекулы диэлектриков остаются нейтральными, как в отсутствие электрического поля, так и при его наличии. В противоположность атомам и молекулам проводников они не теряют и не приобретают электронов извне. Поэтому диэлектрики практически не проводят электрический ток.

    Внешнее электрическое поле изменяет конфигурацию атомов и молекул диэлектриков и влияет на их положение в пространстве. Например, в атоме водорода под действием электрического поля происходит смещение геометрического центра отрицательных зарядов относительно положительного ядра (рис. 23). Атом превращается в электрический диполь, ориентированный в направлении внешнего электрического поля.

Рис. 23. Смещение орбиты электрона относительно ядра под действием электрического поля;     О – центр орбиты электрона (геометрический центр отрицательных зарядов)

 

Электрический диполь – это пара противоположных электрических зарядов, связанных друг с другом молекулярными, механическими или какими – либо другими силами. Заряды диполя одинаковы по величине. Он характеризуется дипольным моментом

 

где q – положительный заряд диполя, h – расстояние между геометрическими центрами положительных и отрицательных зарядов, – единичный вектор направления от отрицательного к положительному заряду (рис. 24). Чем сильнее внешнее электрическое поле, тем больше величина h и модуль дипольного момента d у атома водорода.

Рис. 24. Схематическое представление электрического диполя

 

В молекуле воды геометрические центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают при отсутствии внешнего электрического поля (рис. 25). Эта молекула обладает постоянным дипольным моментом. Во внешнем поле она поворачивается под действием электрических сил (рис. 26). Чем сильнее внешнее поле, тем больше угол поворота диполя, тем выше степень упорядочивания диполей диэлектриков в пространстве (рис. 27).

Рис. 25. Схема молекулы воды; О – геометрический центр орбит положительных ионов

Рис. 26. Пара электрических сил, вызывающих поворот диполя или стабилизирующих его положение в пространстве

Рис. 27. Схема поляризации диэлектрика во внешнем электрическом поле; на правой грани параллелепипеда появился положительный связанный заряд (на левой грани – отрицательный)

Под действием внешнего электрического поля диэлектрик поляризуется, т.е. электрические диполи его атомов и молекул выстраиваются в известном порядке в направлении напряженности этого поля, принимают упорядоченное расположение в пространстве. На поверхности поляризованного тела появляются связанные электрические заряды  (рис. 27). Поверхностная плотность этих зарядов  зависит от напряженности внешнего электрического поля и свойств диэлектрика.

Связанные заряды создают собственное электрическое поле, которое ослабляет поле внешних источников внутри диэлектрика. В качестве примера рассмотрим слой диэлектрика между пластинами конденсатора (рис. 28). Свободные заряды, распределенные на пластинах конденсатора с постоянной плотностью , создают внутри конденсатора электрическое поле напряженности

такова напряженность поля в воздухе между пластинами и слоем диэлектрика. Внутри слоя диэлектрика на это поле накладывается электрическое поле, возбужденное связанными зарядами; его напряженность рассчитывается аналогично полю плоского конденсатора с помощью электростатической теоремы Гаусса:

где  - плотность связанных зарядов на поверхности слоя диэлектрика. Внутри диэлектрика оба электрических поля накладываются друг на друга . С учетом разных направлений векторов  и  (рис. 28) получается, что

Рис. 28. Электрическое поле в средней части плоского конденсатора со слоем диэлектрика

Напряженность электрического поля в диэлектрике в  раз слабее, чем в воздухе рядом с диэлектриком (или в конденсаторе без слоя диэлектрика):

Сила взаимодействия свободных зарядов в диэлектрике в  раз слабее, чем в вакууме. В случае если заряды  взаимодействуют в диэлектрике, скажем, в керосине, формула Кулона записывается в виде

Величина  называется диэлектрической проницаемостью вещества. Размерность . Безразмерная величина  называется относительной диэлектрической проницаемостью вещества.

В неоднородном диэлектрике (в смеси разных веществ) связанные заряды возникают в объеме поляризованного тела. Их распределение в пространстве характеризуется объемной плотностью связанных зарядов . В целом диэлектрическое тело остается нейтральным

(если на поверхность тела не нанесен искусственно свободный заряд).

В общем случае, когда электрическое поле создается свободными и связанными зарядами, распределенными в объемах и по поверхности разных тел, нельзя утверждать, что в каждом теле напряженность электрического поля во столько раз слабее, чем в вакууме, какова его относительная диэлектрическая проницаемость. Степень ослабления поля зависит от конфигурации электрических свойств заряженных тел везде, во всех точках пространства.