Электрическое поле в веществе. Электрический диполь

Электрический диполь - это система двух равных по модулю разноименных точечных зарядов ( , ), расстояние между которыми значительно меньше расстояния до рассматриваемых точек поля (Рисунок 11).

Рисунок 11. Электрический диполь

Вектор, направленный по оси диполя от к и численно равный расстоянию между ними, называется плечом диполя .

Вектор называется электрическим моментом диполя или дипольным моментом.

Напряженность поля в вакууме на продолжении оси диполя (в точке А - рисунок 12 а):

.

Напряженность поля в вакууме на перпендикуляре, восстановленном к оси из его середины (в точке В - рисунок 12 б):

Рисунок 12. К расчету напряженности электрического поля диполя

Диэлектрики в электростатическом поле

Молекулы некоторых диэлектриков имеют симметричное строение, т.е. у них центры "тяжести" положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают. Вследствие этого дипольный момент данных молекул равен нулю и они называются неполярными. К таким молекулам относятся: и т.д.

Молекулы диэлектриков, имеющие асимметричное строение (центры "тяжести" положительных и отрицательных зарядов не совпадают) в отсутствие внешнего электрического поля обладают дипольным моментом и называются полярными. Это: Н₂О, СО, SО₂ и т.д. В отсутствие внешнего электрического поля дипольные моменты этих молекул из-за теплового движения ориентированы хаотично и их суммарный результирующий момент в веществе равен нулю.

К третьей группе диэлектриков (NaCl, KCl и т.д.) относятся молекулы, имеющие ионное строение с пространственной кристаллической решеткой. В электрическом поле происходит деформация кристаллической решетки и возникает дипольный момент каждой молекулы.

Внесение любого диэлектрика во внешнее электрическое поле приводит к возникновению отличного от нуля результирующего электрического момента диэлектрика и диэлектрик поляризуется.

Поляризацией называется процесс ориентации диполей или появления диполей под воздействием электрического поля. Соответственно трем группам диэлектриков различают три вида поляризации: электронная, ориентационная и ионная.

Дипольный момент диэлектрика: где - дипольный момент одной молекулы.

Для количественного описания поляризации диэлектрика пользуются векторной величиной, называемой поляризованность диэлектрика. Поляризованность - это дипольный момент единицы объема диэлектрика.

,

где - объем диэлектрика

.

Для большинства диэлектриков поляризованность:

,

где - диэлектрическая восприимчивость. Для любых диэлектриков > 0.

Рассмотрим процессы, происходящие в диэлектрике, внесенном в электрическое поле (рисунок 13).

Рисунок 13. Диэлектрик в электрическом поле

В результате поляризации диэлектрика двумя параллельными бесконечными пластинами на правой его грани, обращенной к отрицательной плоскости, образуется избыток положительных зарядов с поверхностной плотностью . На левой его грани образуется избыток отрицательных зарядов с поверхностной плотностью - . Эти некомпенсированные заряды на поверхности диэлектрика называются связанными.

В диэлектрике на электростатическое поле свободных зарядов накладывается дополнительное поле связанных зарядов , направленное встречно, что уменьшает величину внешнего поля в диэлектрике.

Результирующая напряженность электрического поля в диэлектрике: , где

– относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Полученные формулы объясняют физический смысл относительной диэлектрической проницаемости . Сила взаимодействия точечных зарядов в диэлектрике уменьшается по сравнению с вакуумом в раз потому, что данный диэлектрик уменьшает напряженность внешнего электрического поля в раз.