3.4. Статические поля в веществе Диэлектрики в электрическом поле

К диэлектрикам относятся вещества, в которых отсутствуют свободные электрические заряды, например, N₂, Н₂О,NaClи т.п. При внесении диэлектрика в электрическое поле, например, в однородное поле плоского конденсатора (рис.3.22), происходит поляризация, заключающаяся в том, что на противоположных плоскостях диэлектрика индуцируются так называемыесвязанныеразноименные заряды.

Рис. 3.22

В отсутствие внешнего электрического поля центры положительных и отрицательных зарядов либо совмещены (неполярные диэлектрики), либо нет (полярные диэлектрики). В последнем случае молекулы обладают дипольным электрическим моментом(рис.3.1). Во внешнем электрическом поле диполи будут ориентироваться (дипольная поляризация-вода, аммиак…).

Неполярные диэлектрики во внешнем электрическом поле могут испытывать упругуюполяризациюэлектронного или ионного типа:

а) внешнее поле деформирует электронную оболочку относительно положительно заряженного ядра;

б) внешнее поле смещает положительные и отрицательные ионы в молекулах относительно друг друга (ионные кристаллы типа: KCl,NaClи др.), образуются диполи.

Существует еще спонтанная поляризацияв веществах с электрическими доменами, которые ориентируются во внешнем поле (сегнетова соль, титанат бария).

Степень поляризации диэлектриков характеризуется вектором поляризованностиР, численно равным геометрической сумме всех дипольных моментов Р_iв единице объема

(3.78)

где - поверхностная плотность связанных зарядов.

У диэлектриков (кроме сегнетоэлектриков) между и напряженностью электрического полясуществует связь

,

где - называетсядиэлектрической восприимчивостью.

Поляризация не приводит к созданию объемного заряда, так как число положительных зарядов в единице объема остается равным числу отрицательных зарядов. Однако, как видно из элементарной схемы (рис.3.22), поляризация приводит к появлению связанных в молекулах зарядов на поверхности диэлектрика. В результате в нем, возникает внутреннее поле Е^/, направленное против внешнего поля Е₀. Результирующее поле внутри диэлектрика

Отношение Е₀/Е – есть диэлектрическая проницаемость вещества

(3.79)

Таким образом, диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз поле ослабляется в диэлектрике.

Диэлектрическая проницаемость учитывается в законе Кулона (см.3.2), при определении емкости конденсаторов с диэлектриком (см. 3.27-3.29), при определении энергии электростатического поля (см. 3.35-3.36) и т.д.= 1 +.

Поверхностную плотность связанных зарядов ^/можно определить из соотношений Е^/=^//или^/=Р.

Для описания электрического поля в диэлектрике часто пользуются вместо Е вектором электрического смещения D:

и(3.80)

Вектор не зависит отсреды. Линии векторамогут начинаться и кончаться только на свободных зарядах.

Поток вектора смещения Dсквозь любую замкнутую поверхность равен алгебраической сумме свободных зарядов, заключенных внутри этой поверхности –теорема Остроградского-Гаусса для диэлектрика:

(3.81)

На границе двух диэлектриков с разными линии векторовипреломляются (рис.3.23).

Рис.3.23

Объемная плотность энергии электрического поля в диэлектрике