Диэлектрики в электрическом поле.

Диэлектриками называют вещества, практически не проводящие электрического тока.

Термин «диэлектрик» введен М. Фарадеем для обозначения веществ, через которые проникают электрические поля, в отличие от металлов, внутри которых электростатическое поле равно нулю. К диэлектрикам относят твердые тела, такие, как эбонит, фарфор, жидкости (например, чистая вода), газы.

При изменении внешних условий (нагревание, воздействие ионизирующим излучением и т.п.) диэлектрик может проводить электрический ток.

Изменение состояния диэлектрика при помещении в электрическое поле можно объяснить его молекулярным строением.

С точки зрения электрических свойств диэлектрики бывают 3 видов:

1. Неполярные, например, парафин. Они состоят из молекул, у которых центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают.

2. Полярные, состоящие из молекул, у которых центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают. К данному типу диэлектриков относится, например, вода.

3. Кристаллические диэлектрики, например хлористый натрий.

Если диэлектрик с неполярными молекулами поместить в электрическое поле, то положительные и отрицательные электрические заряды смещаются в противоположных направлениях – возникает дополнительный (наведенный) электрический момент, пропорциональный величине напряженности приложенного извне электрического поля. Опытным путем установлено, что величина момента поляризованной молекулы равна:

где b- поляризуемость молекулы.

Электрическим диполем называют систему, состоящую из двух равных, но противоположных по знаку, точечных электрических зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга (плечо l диполя).

Основной характеристикой диполя является его электрический или дипольный момент, который равен произведению заряда q на плечо l.

,

где q – абсолютная величина одного из зарядов, составляющих диполь (величины q_- и q₊, входящие в диполь, по абсолютной величине равны).

Рассмотрим электрический диполь в однородном электрическим поле. На каждый из зарядов действуют силы , которые по абсолютной величине равны.

Пара сил и образуют момент :

В векторной форме:

На рисунке изображен диполь в плоскости листа, следовательно, направлен перпендикулярно плоскости листа от нас. Покажем, что под действием диполь стремится повернуться так, чтобы и совпадали по направлению. Работа, затраченная на поворот диполя, равна:

Работа dA численно равна изменению потенциальной энергии диполя dW:

Þ

Постоянная интегрирования Cравна нулю, т.к. при отсутствии поля W должна быть равна нулю.

Итак

при a=0°, cosa=1, , т.е. Энергия минимальна, если . Диполь стремится повернуться так, чтобы его вектор был параллелен направлению вектора внешнего поля.

при a=180°, cosa=-1, ;приa=90°, cosa=0, ;

Если электрическое поле неоднородно, то и в итоге на диполь будут действовать не только момент , но и некоторая сила , смещающая диполь вдоль поля. Легко показать, что

где - изменение напряженности поля на единицу длины.