2. Диполь. Диэлектрики в электрическом поле
Электрическим диполем называется система, состоящая из двух одинаковых по величине разноименных точечных зарядов q, расположенных на расстоянии l, много меньшем расстояний до системы. В различные формулы, которые получаются для расчета напряженности поля, потенциала и другие входит величина p = q l, которая называется электрическим моментом диполя. Здесь q – абсолютная величина заряда, а l – вектор, проведенный от отрицательного заряда к положительному (рис. 3). Напряженность электрического поля диполя убывает обратно пропорционально кубу расстояния Е ~ p/r3, а потенциал ~ p/r2.
На заряды диполя, находящиеся в электрическом поле, действует пара сил, приложенных к зарядам +q и –q. Эти силы равны по величине и противоположны по направлению (рис. 3). Момент этих сил стремится повернуть диполь вдоль силовой линии. Момент сил так же выражается через электрический момент диполя:
N = p E = n q l E sin (17)
и направлен так, чтобы повернуть диполь с ориентацией электрического поля диполя p по направлению внешнего электрического поля Е.
Рис. 3. Диполь в электрическом поле
Диэлектриками или изоляторами называют вещества, плохо проводящие электрический ток. Многие свойства диэлектриков, помещенных в электрическое поле, объясняются поведением диполей. Диэлектрики состоят из нейтральных в целом молекул. Электроны и ядра в атоме диэлектрика прочно связаны друг с другом и не могут перемещаться независимо. Можно выделить несколько типов диэлектриков: неполярные и полярные, с ионной и ковалентной связью.
У неполярных диэлектриков молекулы в отсутствие внешнего электрического поля симметричны (например, большинство газов). Центры тяжести положительных и отрицательных зарядов их молекул совпадают (рис. 4 а). В таком состоянии они не обладают собственным электрическим моментом. Под действием внешнего электрического поля заряды в неполярной молекуле смещаются друг относительно друга: положительные по направлению поля, отрицательные – против (рис. 4, б). В результате молекула приобретает дипольный электрический момент, пропорциональный величине напряженности электрического поля:
p = 0 E, (18)
где – поляризуемость молекулы.
У полярных диэлектриков молекулы несимметричны (например, СО). Центры зарядов положительных и отрицательных знаков сдвинуты друг относительно друга. В этом случае молекулы обладают собственным дипольным электрическим моментом даже в отсутствие внешнего поля. В отсутствие электрического поля отдельные дипольные моменты в нем направлены хаотично, в результате теплового движения. Ориентация дипольных моментов может быть произвольной и действие внешнего электрического поля сводится в основном к стремлению повернуть молекулу так, чтобы ее дипольный момент установился по направлению поля (рис. 4 в). Молекула ведет себя как жесткий диполь, величина дипольного момента которой от величины внешнего поля практически не зависит.
В диэлектриках с ионной связью дипольный момент возникает за счет сдвига ионов друг относительно друга. В кристаллах с ковалентной связью смещаются электроны, осуществляющие химическую связь.
Таким образом, про диэлектрик, помещенный в электрическое поле говорят, что он поляризуется. Если обозначить суммарный электрический момент некоторого малого элемента объема диэлектрика, отнесенный к величине этого объема буквой Р (называется поляризованность диэлектрика), то для любого типа диэлектриков будет справедливо:
P = ǽ 0 E, (19)
где ǽ – диэлектрическая восприимчивость диэлектрика – безразмерная величина, независящая от величины внешнего поля.
На рис. 4 г схематично изображен поляризованный диэлектрик (любого типа). Как видно из этого рисунка, поляризация сопровождается возникновением в тонком поверхностном слое диэлектрика избытка связанных зарядов одного знака. Если поляризованный диэлектрик разделить пополам, каждая из половинок останется незаряженной, а на ее вновь образованных концах образуются связанные заряды соответствующего знака.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4. Различные виды диэлектриков в электрическом поле:
а – ионный, б – электронный, в –ориентационный, г – обобщенная схема (в)