Физика
Учебник для 10-11 классов

       

§ 1.15. Поляризация диэлектриков

  • Теперь посмотрим, что происходит с диэлектриком в электрическом поле, и выясним, от чего зависит диэлектрическая проницаемость среды.

Поляризация полярных диэлектриков

Пусть полярный диэлектрик расположен между двумя параллельными металлическими пластинами. Если пластины не заряжены и, следовательно, напряженность поля между пластинами равна нулю, то диполи молекул диэлектрика ориентированы хаотически (рис. 1.59).

Вследствие этого во всех участках диэлектрика положительные и отрицательные заряды диполей различных молекул в среднем компенсируют друг друга. Электрическое поле диэлектрик не создает.

Рис. 1.59

Что же произойдет в диэлектрике, когда пластинам сообщены заряды, одинаковые по модулю и противоположные по знаку? Если размеры пластин много больше расстояния между ними, то возникает электрическое поле, которое вдали от краев пластин можно считать однородным. Со стороны этого поля на молекулу, представляющую собой диполь, действуют две силы, одинаковые по модулю и противоположные по направлению (рис. 1.60, a). Они создают момент силы, стремящийся повернуть диполь так, чтобы его ось была направлена по линии напряженности поля (рис. 1.60, б). Этому, однако, препятствует тепловое движение, приводящее к хаотической ориентации диполей.

Рис. 1.60

В результате полная ориентация может быть достигнута лишь в сильных полях при температурах, близких к абсолютному нулю. В обычных условиях получается состояние с преимущественной ориентацией диполей вдоль поля. Это значит, что в среднем число диполей, ориентированных вдоль поля, больше, чем против поля (рис. 1.61). На рисунке видно, что вследствие преимущественной ориентации диполей вдоль поля у положительно заряженной пластины появляются отрицательные заряды диполей, а у отрицательно заряженной — положительные. В результате на поверхности диэлектрика появляется поверхностный связанный заряд с определенной плотностью σ. Внутри диэлектрика отрицательные и положительные заряды диполей компенсируют друг друга и средний электрический заряд равен нулю.

Рис. 1.61

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

Поляризация неполярных диэлектриков

Ориентация диполей (атомов или молекул диэлектрика) в электрическом поле — не единственный процесс при поляризации диэлектриков. Это следует из того факта, что и диэлектрики с неполярными молекулами в электрическом поле тоже поляризуются. Что же происходит в этом случае?

В отсутствие поля центры положительных и отрицательных зарядов в атомах или молекулах неполярных диэлектриков совпадают. При внесении диэлектрика в поле на отрицательно и положительно заряженные частицы начинают действовать силы, направленные в противоположные стороны. В результате молекула растягивается и происходит смещение центров положительного и отрицательного зарядов. Молекула становится диполем, ось которого направлена вдоль поля.

Вследствие этого процесса на поверхностях диэлектрика, примыкающих к заряженным пластинам, также возникают связанные заряды. Очевидно, что процесс, аналогичный поляризации неполярных диэлектриков, происходит и в полярных диэлектриках. Однако в последних он маскируется значительно большим эффектом, обусловленным ориентацией диполей.

Силы притяжения между соседними молекулами диэлектрика значительно слабее сил, связывающих разноименные заряды в молекуле. Поэтому при разрезании или разрыве диэлектрика на части молекулы не разрушаются, а целиком остаются на поверхностях разреза. В результате обе части поляризованного диэлектрика будут электрически нейтральны после разрезания.

Диэлектрическая проницаемость и поляризуемость диэлектрика

Связанный поверхностный заряд создает электрическое поле напряженностью ', направленной в диэлектрике против напряженности внешнего поля 0 зарядов на пластинах (рис. 1.62).

Рис. 1.62

Из-за этого поле внутри диэлектрика ослабляется. Степень ослабления поля зависит от свойств диэлектрика.

Если напряженность электрического поля внутри диэлектрика обозначить через Е, то

(см. рис. 1.62). Напряженность Е' определяется поверхностной плотностью заряда σ. Этот заряд находится на двух противоположных поверхностях диэлектрика. Каждая поверхность создает электрическое поле напряженностью E'1 = 2π|σ| (в абсолютной системе единиц). Напряженности полей от отрицательно и положительно заряженных поверхностей внутри диэлектрика совпадают по направлению. Поэтому

Плотность поверхностного заряда зависит от свойств диэлектрика и напряженности Е электрического поля внутри него. При Е = 0 σ также равна нулю. Опыт показывает, что для многих диэлектриков плотность поверхностного заряда прямо пропорциональна напряженности поля*:

Коэффициент пропорциональности а называется поляризуемостью диэлектрика или его диэлектрической восприимчивостью. Он характеризует электрические свойства диэлектрика и простым образом связан с диэлектрической проницаемостью ε. Найдем эту связь. Подставив выражение (1.15.3) в формулу (1.15.2), получим значение напряженности поля связанных зарядов в зависимости от напряженности поля внутри диэлектрика:

Если теперь подставить выражение (1.15.4) в соотношение (1.15.1), то можно выразить напряженность поля в диэлектрике через напряженность внешнего поля:

Стоящая в знаменателе величина характеризует степень ослабления поля; она показывает, во сколько раз уменьшается напряженность электрического поля в однородном диэлектрике. Это и есть диэлектрическая проницаемость среды (см. § 1.4):

Таким образом, диэлектрическая проницаемость и поляризуемость являются эквивалентными характеристиками электрических свойств среды.

Сегнетоэлектрики

Отметим в заключение, что, кроме полярных и неполярных диэлектриков, существует еще один тип диэлектриков, которые нгизывают сегнетоэлектриками. Эти вещества обладают рядом замечательных свойств. В частности, они имеют очень большую диэлектрическую проницаемость. Так, например, у сегнетовой соли диэлектрическая проницаемость достигает 10 000. Заметим для сравнения, что среди полярных диэлектриков наибольшей проницаемостью обладает вода (ε = 81). Значение ε у неполярных диэлектриков много меньше.

Большой вклад в исследование сегнетоэлектриков был сделан отечественными физиками И. В. Курчатовым, Б. М. Вулом и др.

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

Вопросы для самопроверки

  1. Мржно ли объяснить отсутствие зарядов внутри проводника тем, что одноименные заряды отталкиваются?
  2. Внутри проводящей сферы расположен положительный точечный заряд (рис. 1.63). Начертите линии напряженности внутри и вне сферы.

    Рис. 1.63

    Как будет изменяться поверхностная плотность заряда на внутренней и внешней поверхностях сферы, если заряд перемещать внутри сферы?


* Надо иметь в виду, что смещение зарядов в диэлектрике непосредственно определяется полем внутри него с напряженностью , а не внешним полем с напряженностью 0.

 

Top.Mail.Ru
Рейтинг@Mail.ru