Теорема Остроградського-Гаусса, потенціальний характер електростатичного поля та діелектрики в електричному полі
Методическое пособие - Физика
Другие методички по предмету Физика
?ий однорідний ізотропний діелектрик, то характеристики поля змінюються.
Поверхневий заряд поляризованого діелектрика створює поле, вектор напруженості якого напрямлений протилежно вектору напруженості зовнішнього поля і зменшує його порівняно з вакуумом (діелектрична проникність) разів.
Діелектрики в електричному полі. Полярні і неполярні діелектрики. Поляризація діелектриків
В діелектриках всі електрони міцно звязані з ядрами своїх атомів. Тому в діелектриках немає вільних електронів. І вони, на відміну від металів, не проводять електричний струм.
Властивості діелектриків пояснюються їх будовою. Дослід доказує, що існує два типи молекул, що розрізняються своєю поведінкою в електричному полі. В молекулах першого типу електрони розміщені симетрично навколо ядер. В таких молекулах центри ваги додатних і відємних зарядів у відсутності зовнішнього поля співпадають і дипольний момент молекули дорівнює нулю. Ці молекули називають неполярними (водень, азот, хлор, парафін, бензол і др.) (рис.3 а).
Рис.1
При наявності зовнішнього поля заряди в неполярній молекулі зміщуються один відносно другого (додатні по напрямку поля, відємні проти поля). Кожна молекула при цьому набуває дипольний момент:
(мал. 3 б), який пропорційний напруженості поля.
Велику групу діелектриків представляють речовини, в молекулах яких електрони розміщені несиметрично відносно ядер. При цьому центри ваги додатних та відємних зарядів молекули не співпадають один з одним і молекули представляють собою диполі навіть в відсутності зовнішнього поля. Такі диполі називають жорсткими, а молекули полярними. Діелектрики з полярними молекулами Н2О, НСl, NH3 і інші (рис.4).
Рис.2.
Діелектрики в природі зустрічаються в трьох агрегатних станах: газоподібному, рідкому та твердому.
Поляризацією діелектриків називається стан речовини, який характеризується наявністю дипольного моменту в любому елементі обєму. За любий приймається елемент обєму, який вміщає достатню кількість атомів.
Розглянемо причини поляризації діелектриків. Якщо внести в електричне поле діелектрик, побудований із неполярних молекул, то під дією поля всі молекули набувають дипольний момент, паралельний зовнішньому полю (мал. 5).
Рис.3
В результаті цього на протилежних поверхнях, перпендикулярних до поля, виникають заряди протилежного знаку. Така поляризація називається електронною або деформаційною. В цьому випадку діелектрик в цілому набуває дипольний момент і створює в просторі електричне поле.
Якщо діелектрик з полярними молекулами не знаходиться в електричному полі, то внаслідок хаотичного теплового руху дипольні моменти окремих молекул орієнтуються в просторі безладно. Тому, векторна сума дипольних моментів всіх молекул дорівнює нулю, і діелектрик в цілому не має дипольного моменту. При внесенні такого діелектрика в електричне поле жорсткі диполі намагаються повернутись так, що вектори їх дипольних моментів співпали по напрямку з вектором Е.Але тепловий рух перешкоджає строгій орієнтації моментів диполів. Тому, моменти приймають тільки переважну орієнтацію по напрямку зовнішнього поля (рис.6). Ця орієнтація буде тим більшою, чим сильніше зовнішнє поле і чим нижча температура діелектрика. Такий вид поляризації називають дипольною або орієнтаційною поляризацією.
Рис.4
При підвищенні напруженості поля (при постійній температурі) досягається такий стан, коли практично всі диполі уже повернуті в напрямку поля. При цьому підвищення напруженості поля уже не буде викликати збільшення поляризації діелектрика, тобто наступає насичення.
Нарешті, коли в електричному полі розмістити діелектрик з іонною решіткою, то під дією поля всі додатні іони змістяться в напрямку поля, а всі відємні іони проти поля. Цей вид поляризації називають іонною поляризацією.
Заряди, які зявляються на поверхні діелектрика, при поляризації неможливо зняти. Тому їх називають звязаними.
Таким чином, поляризація полягає в обмеженому зміщенні звязаних зарядів або орієнтації дипольних молекул під впливом електричного поля.
Внаслідок поляризації на паралельних гранях зявляються звязані заряди, які створюють власне поле. Поза діелектриком напрямок поля звязаних зарядів співпадає з напрямком зовнішнього поля, а всередині діелектрика протилежно йому. Таким чином, внаслідок поляризації діелектрика напруженість поля поза ним збільшується, а всередині зменшується. Це призводить до зміни зовнішнього електричного поля в області діелектрика.
Розглянемо характеристики поляризованого діелектрика. Нехай даний діелектрик має форму прямого паралелепіпеда довжиною l. Позначимо площу основи через S, а величину звязаного на поверхні основи заряду через q. Тоді одержуємо поверхневу густину звязаних зарядів:
(1)
Поляризований діелектрик володіє дипольним електричним моментом, рівним
, (2)
де l вектор, чисельно рівний віддалі між зарядами і напрямлений від відємного заряду до додатного.
За міру поляризації діелектрика приймають дипольний момент одиниці обєму діелектрика:
(3)
Дипольний (електричний) момент одиниці обєму діелектрика називають вектором поляризації.
Із формули (3) видно, що вектор поляризації чисельно дорівнює п