Диэлектрики в электростатическом поле. Два вида диэлектриков

Какое влияние оказывают на электростатическое поле тела, не являющиеся проводниками? Для выяснения этого надо ближе позна­комиться со строением таких тел. У изолятора или диэлектрика электрические заряды, а точнее, элек­трически заряженные частицы - электроны и ядра в нейтральных атомах связаны друг с другом; они не могут, подобно свободным заря­дам проводника, перемещаться под действием электрического поля по всему объему тела.

Различие в строении проводников и диэлектриков приводит к тому, что они по-разному ведут себя в электростатическом поле. Электриче­ское поле может существовать внут­ри диэлектрика; при этом диэлектрик оказывает па поле, определенное влияние.

С помощью простого опыта мож­но убедиться, что незаряженный диэлектрик может создавать элек­трическое поле. На рисунке 1 вы видите заряженный электрометр с металлическим диском на конце стержня. Если к диску такого электрометра поднести незаряжен­ный диэлектрик, например толстое стекло, то стрелка электрометра, приблизится к стержню (рис. 2). Это может произойти только в том случае, если диэлектрик, помещен­ный в электрическое поле заряжен­ного диска, сам создает электри­ческое поле.

Это поле влияет на распределение заряда в стержне электрометра, уменьшая заряд стрелки и стержня и увеличивая соответственно заряд диска.

Электрические свойства ней­тральных атомов и молекул.

Чтобы понять, как незаряженный диэлек­трик создает электрическое поле, надо сначала познакомиться с электри­ческими свойствами нейтральных; атомов и молекул.

Атомы и молекулы состоят из положительных заряженных час­тиц — ядер и отрицательно заряжен­ных частиц — электронов. На рисун­ке 3 изображена схема простей­шего атома — атома водорода. По­ложительный заряд атома (заряд ядра) сосредоточен в его центре. Электрон движется в атоме с боль­шой скоростью. Один оборот вокруг ядра он делает за очень малое время, порядка 10 ^-15 с. Поэтому, например, уже за 10 ^-9 с он успе­вает совершить миллион оборотов и, следовательно, миллион раз побы­вать в двух любых точках 1 и 2, рас­положенных симметрично относи­тельно ядра. Это дает основание счи­тать, что в среднем по времени центр распределения отрицательного заряда приходится на середину атома, т. е. совпадает с положительно за­ряженным ядром.

Однако так обстоит дело не всег­да. Рассмотрим молекулу поварен­ной соли NaCl. Атом натрия имеет во внешней оболочке один валент­ный электрон, слабо связанный с ато­мом. У хлора семь валентных элек­тронов. При образовании молекулы единственный валентный электрон натрия захватывается хлором. Оба нейтральных атома превращаются в систему из двух ионов с зарядами противоположных знаков (рис. 4). Положительный и отрицательный заряды не распределены теперь симметрично по объему молекулы: центр распределения положитель­ного заряда приходится на ион натрия, а отрицательного — на ион хлора.

Электрический диполь. На боль­шом расстоянии молекулу можно приближенно рассматривать как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противопо­ложных по знаку, находящихся на некотором расстоянии друг от дру­га (рис. 5). Такую в целом нейтральную систему зарядов назы­вают электрическим диполем.

Два вида диэлектриков.

Ди­электрики можно разбить на два вида:

- полярные, состоящие из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных за­рядов не совпадают;

- неполярные, состоящие из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и от­рицательных зарядов совпадают.

К полярным диэлектрикам отно­сятся спирты, вода и другие ве­щества; к неполярным — инертные газы, кислород, водород, бензол, по­лиэтилен и др.

Существуют два вида диэлект­риков; полярные и неполярные. Они различаются строением мо­лекул.

Рис.1 Рис.2

Рис. 3 Рис. 4 Рис. 5
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ

Теперь посмотрим, что проис­ходит с диэлектриком в электриче­ском поле. Введем величину, харак­теризующую электрические свойства диэлектриков.

Поляризация полярных диэлек­триков. Полярный диэлектрик состоит из молекул, которые можно рассматривать как электрические диполи. Тепловое движение приво­дит к беспорядочной ориентации диполей (рис.1), поэтому на по­верхности диэлектрика, а также и в любом его объеме, содержащем боль­шое число молекул (заштрихован­ный прямоугольник на рис. 86), электрический заряд в среднем равен нулю. Напряженность электриче­ского поля в диэлектрике в среднем также равна нулю.

Поместим диэлектрик между дву­мя параллельными металлическими пластинами, несущими заряды про­тивоположного знака. Если размеры пластин много больше расстояния между ними, то поле между пластинами однородно. Со сто­роны этого поля на каждый электри­ческий диполь будут действовать две силы, одинаковые по модулю, но противоположные по направлению (рис.2). Они создадут момент силы, стремящийся повернуть диполь так, чтобы его ось была направлена по силовым линиям поля (рис. 3). При этом положительные заряды смещаются в направлении электри­ческого поля, а отрицательные — в противоположную сторону.

Смещение положительных и от­рицательных связанных зарядов диэлектрика в противоположные сторо­ны называют поляризацией.

Однако тепловое движение пре­пятствует созданию упорядоченной ориентации всех диполей; только при температуре, равной абсолютному нулю, все диполи выстроились бы вдоль силовых линий. Таким об­разом, под влиянием поля происхо­дит лишь частичная ориентация электрических диполей. Это означа­ет, что в среднем число диполей, ориентированных вдоль поля, больше, чем число диполей, ориентиро­ванных против поля. На рисунке 4 видно, что у положительно заряжен­ной пластины на поверхности диэлек­трика появляются преимущественно отрицательные заряды диполей, а у отрицательно заряженной — поло­жительные. В результате на поверх­ности диэлектрика возникает свя­занный заряд. Внутри диэлектрика положительные и отрицательные за­ряды диполей компенсируют друг друга и средний связанный электри­ческий заряд по-прежнему равен нулю.

Поляризация неполярных ди­электриков. Неполярный диэлектрик в электрическом поле также поля­ризуется. Под действием поля по­ложительные и отрицательные заря­ды молекулы смещаются в противоположные стороны и центры распре­деления положительного и отрица­тельного зарядов перестают совпадать, как и у полярной молекулы. Такие деформированные молекулы можно рассматривать как электри­ческие диполи, оси которых направ­лены вдоль поля. На поверхностях диэлектрика, примыкающих к за­ряженным пластинам, появляются связанные заряды, как и при поляри­зации полярного диэлектрика.

Диэлектрическая проницаемость.

Связанный заряд создает в диэлек­трике электрическое поле напряжен­ностью , которая направлена против напряженности внешнего по­ля зарядов на пластинах (рис. 5). Из-за этого поле внутри диэлектрика ослабляется. Степень ослабления поля зависит от свойств диэлектрика.

Для характеристики электриче­ских свойств диэлектриков вводится особая величина, называемая ди­электрической проницаемостью.

Диэлектрическая проницаемость среды — это физическая величина, показывающая, во сколько раз мо­дуль напряженности электрического поля внутри однородного ди­электрика меньше модуля напряжен­ности поля в вакууме.

Обозначив диэлектрическую про­ницаемость через , будем иметь:

Соответственно напряженности электрических полей точечного заря­да и заряженного шара, помещен­ных в однородный диэлектрик, будут меньше в е раз, чем в вакууме. Для точечного заряда и шара вместо формулы справедлива фор­мула

(1)

Сила взаимодействия точечных зарядов, помещенных в однородный диэлектрик, также убывает в е раз за счет уменьшения напряженности поля. Закон Кулона для зарядов, находящихся в однородном диэлектрике, запишем в виде

(2)

Силы между заряженными те­лами в отличие от сил всемирного тяготения зависят от свойств среды, в которой эти тела находятся.

В электрическом поле связанные заряды диэлектрика смещаются в противоположные стороны; происхо­дит поляризация диэлектрика. По­ляризованный диэлектрик сам созда­ет электрическое поле. Это поле ослабляет внутри диэлектрика внеш­нее электрическое поле

Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3

Рис. 4 Рис. 5