И на сторонние заряды в диэлектрике

Силы, действующие на диэлектрик в электрическом поле

Появление поляризационных зарядов на диэлектрике в электрическом поле вызывает электрические силы, действующие на диэлектрик со стороны поля. Так, диэлектрическая палочка в электрическом поле поворачивается и устанавливается вдоль линий напряженности поля (см. рис. 3.8).

При зарядке плоского конденсатора возникает электрическая сила, стремящаяся втянуть диэлектрическую пластину внутрь конденсатора (см. рис. 3.9).

Рис. 3.8

Рис. 3.9. Неоднородность электрического поля у краев

пластин заряженного конденсатора приводит к возникновению силы,

втягивающей диэлектрическую пластину внутрь конденсатора

Пусть в однородном изотропном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью находится равномерно заряженный шар с зарядом (см. рис. 3.10). На границе диэлектрика, прилегающей к шару, появится отрицательный поляризационный заряд с поверхностной плотностью . Границу диэлектрика считаем сферой радиуса . Эта граница отделена от шара воздушной прослойкой. С учетом (3.5) и (3.7) имеем:

где - напряженность поля в диэлектрике, вблизи его границы.

Рис. 3.10. К определению напряженности поля

точечного заряда в диэлектрике

Полный поляризационный заряд

Напряженность полного поля в точке внутри диэлектрика можно найти как напряженность поля точечного заряда , расположенного в точке центра шара в вакууме:

Выразим отсюда :

где - напряженность поля точечного заряда в вакууме.

Вывод: Напряженность поля в однородном диэлектрике меньше в раз, чем в вакууме. Сила взаимодействия двух точечных зарядов и в диэлектрике, определяемая по закону Кулона, также будет в раз меньше, чем в вакууме:

Данный вывод справедлив, если граница диэлектрика – сферическая. Такая форма границы диэлектрика вокруг шара будет, если диэлектрик - жидкий. Если диэлектрик – твердый, то шар придется помещать в заранее приготовленную полость внутри диэлектрика. Форма ее границы может быть сделана различной. Распределение поляризационных зарядов зависит от формы этой границы. Соответственно, отмеченный вывод в общем случае теряет силу.

Поляризация диэлектрика во внешнем электрическом поле сопровождается возникновением электрических сил взаимодействия поляризационных зарядов между собой, так и со сторонними зарядами. Под действием таких сил диэлектрик деформируется. Данное явление называется электрострикцией. Деформация служит причиной возникновения механических сил, действующих на диэлектрик и противодействующих развитию его деформации.

Рассмотрим опыт на рис. 3.11.

Рис. 3.11.

В случае рис. 3.11, а парафиновый шарик «б» притягивается к заряженному металлическому шарику «а» в воздухе. В случае рис. 3.11, б парафиновый шарик «б» отталкивается от заряженного металлического шарика «а» в ацетоне. В воздухе свободные заряды на поверхности металлического шарика взаимодействуют с поляризационными зарядами на границе парафинового шарика - шарики взаимно притягиваются. В ацетоне дополнительно возникают поляризационные заряды на границе ацетона с каждым из шариков. Эти заряды противоположны по знаку зарядам шариков. Диэлектрическая проницаемость ацетона больше, чем у парафина – плотность заряда на границе ацетона в среднем по модулю больше плотности заряда на парафиновом шарике. Поэтому шарики взаимно отталкиваются.