Электрическое поле в диэлектриках

В диэлектриках отсутствуют свободные заряженные частицы. Все заряженные частицы связаны между собой в атомы и молекулы. Если диэлектрик состоит из симметричных молекул (Н₂, О₂, N₂), то центр положительных зарядов совпадает с центром отрицательных. Такие диэлектрики называются неполярными. Молекулы неполярных диэлектриков не являются диполями и не обладают дипольным моментом.

Электрическим диполем называется система двух одинаковых по величине зарядов разных знаков, расстояние между которыми значительно меньше расстояния до тех точек, в которых определяется поле системы. Прямая, проходящая через центры обоих зарядов, называется осью диполя. Для описания воздействия электрического поля на диполь вводится характеристика диполя: электрический момент диполя. Электрическим моментом диполя (дипольным моментом) называется физическая величина численно равная произведению заряда q на вектор смещения, проведенного от отрицательного заряда к положительному.

Направление вектора электрического диполя совпадает с направлением вектора смещения. Графически электрическое поле диполя выражается линиями напряженности, начинающимися на положительном заряде диполя и заканчивающимися на отрицательном заряде диполя. При внесении неполярного диэлектрика в электрическое поле в каждой молекуле заряды под действием сил поля смещаются в противоположные стороны в соответствии со знаками. На одном краю молекулы появляется положительный заряд, на другом отрицательный. При этом каждая молекула превращается в электрический диполь и у каждой молекулы неполярного диэлектрика появляется дипольный момент, совпадающей по направлению с напряженностью внешнего поля. Складываясь они дают отличный от нуля суммарный дипольный момент диэлектрика.

У несимметричных молекул (СО, NH, HCl) центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают, и молекулы обладают собственным дипольным моментом отличным от нуля. Такие диэлектрики называются полярными.

В отсутствии внешнего поля в полярных диэлектриках дипольные моменты молекул направлены хаотически. Суммарный дипольный момент диэлектрика в этом случае равен нулю.

Рассмотрим поведение диполя во внешнем электрическом поле. Под действием внешнего поля на q⁺ и q^- действуют силы равные по величине, но противоположны по направлению (см. рис.). Эти силы образуют пару сил, момент которых зависит от ориентации диполя по отношению к направлению напряженности внешнего поля. Плечо сил равно lsina., тогда модуль момента:

или

Момент сил стремится так развернуть диполь, чтобы его электрический момент установился вдоль поля. Таким образом дипольный момент молекулы под действием вращательного момента со стороны электрического поля поворачивается и выстраивается в направлении вектора напряженности этого поля. Суммарный дипольный момент диэлектрика, как и в случае неполярного диэлектрика, становится отличным от нуля. Диэлектрик поляризуется.

При поляризации на поверхности диэлектрика появляются связанные заряды, поле которых, складываясь с внешнем полем, изменяет его значение в диэлектрики.

Поляризация диэлектрика характеризуется вектором поляризации. Вектором поляризации называется суммарный дипольный момент единицы объема диэлектрика.

где - суммарный дипольный момент объема V.

У изотропных диэлектриков , (19)

где c - величина называемая диэлектрическая восприимчивость.

Введем в рассмотрение вектор электрического смещения , определив его следующим образом . (20)

Определенный таким образом вектор не зависит от плотности связанных зарядов s. Он зависит только от плотности свободных зарядов, создающих внешнее, по отношению к данному диэлектрику, поле. С учетом выражения (19) уравнение (20) можно представить виде . (21)

Здесь e = (1+c) - относительная диэлектрическая проницаемость. В случае однородного диэлектрика, полностью заполняющего объем, ограничен­ный эквипотенциальными по­верхностями, e показывает во сколько раз напряженность внешнего поля в вакууме отличается от напряженности этого же поля в диэлектрической среде.

С учетом поляризации среды закон Кулона, описывающий взаимодействия точечных зарядов в диэлектрической среде, запишется следующим образом

.