Что такое поляризационные заряды?
Связанные заряды. Электрическое поле в диэлектриках Связанные заряды. В результате процесса поляризации в объеме (или на поверхности) диэлектрика возникают нескомпенсированные заряды, которые называются поляризационными, или связанными.
Что называется поляризацией?
Поляризацией называется процесс смещения упруго связанных зарядов или ориентация диполей под действием электрического поля. В результате поляризации в объеме диэлектрика возникает суммарный электрический момент P, отличный от нуля.
В чем состоит различие между поляризационных зарядов от индуцированных?
3. Индуцированные заряды, в отличие от поляризационных, могут быть отделены друг от друга. Для этого достаточно в присутствии индуцирующего заряда разъединить разноименно заряженные час- ти проводника.
Когда возникает поляризация?
Поляриза́ция диэле́ктриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля.
Какие виды поляризации?
Поляризация представляет собой обратимое смещение электрически заряженных частиц, входящих в состав диэлектриков. Различают следующие основные виды поляризации: электронная, ионная, дипольная, спонтанная и некоторые другие.
Что представляет собой электронная поляризация?
Электронная поляризация Представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Центр орбиты электрона смещается на расстояние, которое зависит от напряженности поля E и резонансной частоты атома.
В чем заключается ионная поляризация?
Ионная поляризация заключается в смещении в электрическом поле ионов, образующих гетерополярные (ионные) молекулы. Ионная поляризация характерна для диэлектриков с резко выраженной ионной связью. В этом случае нет отдельных пар ионов, все ионы связаны в одну кристаллическую решетку.
Почему свет можно поляризовать?
Когда свет падает на границу раздела под углом, тангенс которого равняется относительному показателю преломления двух сред, отраженный луч является линейно поляризованным, а преломленный луч поляризован частично с преобладанием колебаний, лежащих в плоскости падения луча.
В чем измеряется вектор поляризации?
Поляризо́ванность (вектор поляризации) — векторная физическая величина, равная дипольному моменту единицы объёма вещества, возникающему при его поляризации, количественная характеристика диэлектрической поляризации. , в Международной системе единиц (СИ) измеряется в Кл/м2.
Поляризация и электрическая индукция: что это и как работает? (с примерами)
Даже если вы новичок в дисциплине физической науки, известной как электромагнетизм, вы, вероятно, знаете, что одинаковые заряды отталкиваются, а противоположные — притягиваются; то есть положительный заряд будет притягиваться к отрицательному заряду, но будет иметь тенденцию отталкивать другой положительный заряд, с тем же простым правилом, выполняемым в обратном порядке. (Это основа повседневной поговорки «противоположности притягиваются»; Верно ли это в романтических отношениях — это, возможно, открытый вопрос, но это, безусловно, тот случай, когда речь идет об электрических зарядах на атомах и молекулах.)
Однако вы можете не знать, что заряженный объект может быть притянут к нейтральному объекту, то есть к объекту без чистого заряда. Это возможно благодаря феноменуполяризация заряда, что объясняет тот факт, что молекулы, которые в целом электрически нейтральны, могут иметь внутри асимметричное распределение заряда. По аналогии, в городе может быть равное количество жителей младше 40 и старше 40, но их распределение в пределах города почти наверняка асимметрично.
- Молекулыпредставляют собой совокупность двух или более атомов, представляющих наименьшую химическую единицу конкретного соединения; эти атомы могут представлять один и тот же элемент, например газообразный кислород (O2) или включать несколько элементов, как в случае диоксида углерода (CO2).
Передача электрического зарядаиндукция— то есть без прямого прикосновения к объектам, которые обмениваются зарядами в виде свободных электронов — вращается вокруг стратегического размещение проводников, которые представляют собой материалы, через которые легко протекает ток, и изоляторов, которые являются материалами, через которые ток не может проходить. поток. Но более того, он полагается на поляризацию целых объектов, обусловленную поляризацией составляющих их молекул, которые можно модулировать с помощью электрического поля.
Точечные заряды и электрические поля
Подобно тому, как линейные и вращательные уравнения движения аналогичны друг другу, математика, лежащая в основе эффектовэлектрическое поле Eдействие на точечные заряды очень похоже на то, что описывает эффекты гравитационного поля, действующего на точечные массы. Сила электрического поля определяется выражением
- Вектор электрического поля указывает в том же направлении, что и вектор электрической силы, когдаqположительный. ЕдиницыE— ньютоны на кулон (N / C).
Точечные заряды создают свои собственные электрические поля. (Помните, что «точечные» заряды могут иметь любую величину и при этом не восприниматься как занимающие какой-либо объем.) Выражение для этого:
гдеkпостоянная 9 × 10 9 Нм 2 / C 2 а такжерэто смещение (расстояние и направление) между зарядом и любой точкой, в которой оценивается поле. Объединение двух основных уравнений выше дает:
Эти отношения известны какЗакон Кулона.
Равномерные электрические поля и поляризация
Если каждый точечный заряд создает свое собственное электрическое поле, возможно ли иметь однородное электрическое поле, то есть такое, в котором величина и направлениеEта же? По причинам, которые вы увидите, требуется однородное поле, чтобы результирующая сила на диполе была равна нулю.
Размещение двух бесконечно больших проводящих пластин параллельно друг другу и размещение изоляционного материала или диэлектрического материала между ними позволяет обеспечить электрическое поле, которое создается, если между ними устанавливается напряжение (разность электрических потенциалов), например, когда разные пластины прикреплены к аккумулятор.
Это расположение приблизительно при изготовленииконденсаторы, которые накапливают электрический заряд в цепях. Силовые линии электрического поля перпендикулярны пластинам и указывают на отрицательную пластину. Но как с самого начала на поверхности этих устройств накапливаются заряды?
Поляризация изолятора.
Чистые электрические поля не могут существовать внутри проводников. Это связано с тем, что, если электроны могут свободно перемещаться, они будут делать это до тех пор, пока не достигнут равновесия, когда сумма всех сил и моментов равна нулю, и поскольку F = qE,Eдолжно быть равно нулю. Другими словами, движение свободных электронов в проводнике уничтожает любое электрическое поле, которое могло бы существовать, «выравнивая его» посредством сдвига электронов.
Совершенно иная ситуация внутри изоляторов. Все атомы состоят из положительно заряженного ядра, окруженного электронным облаком. В присутствии внешнего электрического поля (возможно, вызванного наличием заряженного объекта) электронные облака могут сдвигаться, что приводит кдипольный моменти чистая электрическая сила.
Хотя в изоляторе нет чистого заряда, если отбирается какая-либо его часть, наличие дипольных моментов приводит к накоплению чистого положительного заряда на одной стороне образца и чистого отрицательного заряда на другой боковая сторона. Но на самом деле заряды не накапливаются на поверхности, как в случае с проводниками, из-за ограниченного движения электронов в этих материалах.
Определение поляризации
Поляризация возникает, когда электроны внутри нейтрально заряженного объекта сдвигают свое среднее положение относительно протонов, в результате чего образуются два «кластера» электронов (области локализованной повышенной электронной плотности) на молекулу и диполь момент. Два обвиненияqравны по величине и противоположны по знаку. В молекулярном диполе степень поляризации определяется электрической восприимчивостью материала.п= qd= дипольный моментОдиндиполь в диэлектрическом материале.
Чтобы получить представление о влиянии электрического поляEвнутри изолятора в целом рассмотрим материал с дипольной объемной плотностьюNзарядовые диполи на единицу объема. Теперь вы рассматриваете большое количество соседних диполей с небольшим положительным зарядом на одном конце каждого диполя и небольшим отрицательным зарядом на другом конце. (Это приводит кдиполь-дипольпритяжения между + и — зарядами в сквозных диполях.)
Плотность диэлектрической поляризациипхарактеризует концентрацию диполей в материале в результате воздействия электрического поля внутри него:п= Nп= Nqd.
ппропорциональна напряженности электрического поля, как и следовало ожидать. Это отношение задаетсяп = ε0χ0E, где ε0 — электрическая постоянная, а χ0 электрическая восприимчивость.
Полярные молекулы
Некоторые молекулы уже поляризованы естественным образом. Их называют полярными молекулами. Примером полярной молекулы является вода, которая состоит из двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода. H2Сама молекула O симметрична в том смысле, что ее можно разделить на равные половины плоскостью, расположенной между ними в правильной ориентации.
Связи между атомами водорода и кислорода в одной и той же молекуле являются ковалентными связями, но темежду этими атомами в разных молекулах водыназываютсяводородные связи. Электроны, связанные ковалентными связями между водородом и кислородом, расположены намного ближе к атому кислорода, что делает атом кислорода в H2O электроотрицательный, а атомы водорода электроположительные. Таким образом, возникающее в результате образование водородных связей между соседними молекулами является следствием полярности молекул, которая распространяется по всей пробе воды.
Если поднести заряженный предмет к тонкой струе воды из крана (которая является проводником только благодаря присутствие ионов и других примесей), вы можете увидеть, как поток воды очень слегка движется к объекту из-за этот эффект. Это потому, что молекулы ориентируются так, что конец молекулы с противоположным зарядом указывает на заряженный объект.
Электрическая индукция
Явление разделения зарядов в проводниках происходит немного иначе, чем в диэлектриках. Вместо того, чтобы молекулы становились диполями, свободные электроны перемещаются к одной стороне материала.
Стеклянный стержень, являющийся изолятором, может собирать свободные электроны и становиться заряженными, если провести по поверхности, например по шерсти. (Это пример передачи заряда другого типа,противили прямой контакт.) Если отрицательно заряженный стержень поднести к шарикуэлектроскопне касаясь его, электроны будут «отталкиваться», и они будут свободно перемещаться по проводящим поверхностям шара к паре алюминиевых пластинок, висящих внутри. Вы увидите, как листья отталкиваются друг от друга.
Обратите внимание, что электроскоп в целом электрически нейтрален, но заряд распределяется по-другому. «Убегание» электронов к листьям внутри уравновешивается оседанием положительных зарядов там, где стержень находится близко к сфере.
Если бы вы на самом делетрогатьзаряженный стержень к мячу, электроны будут переноситься от стержня из-за положительных зарядов поблизости. Когда вы вытаскиваете стержень, электроскоп останется заряженным, но отрицательные заряды равномерно распределятся по шару.
Примеры индукции
Теперь вы можете собрать все это вместе и понаблюдать, что происходит, когда вы помещаете заряженный стержень рядом с проводником, который можеттакжебыть подключенным к чему-то другому. (Если поднести заряженный стержень к проводящей сфере и отодвинуть его, чтобы заставить собственные электроны сферы «танцевать» в ответ, со временем может наскучить).
Предположим, у вас есть заряженный изолирующий стержень, и вы подносите его к твердой проводящей сфере, соединенной с землей с помощью изолирующего стержня. Хотя в предыдущих разделах диполи описывались с точки зрения отдельных молекул в диэлектриках, то же самое явление индуцируется в проводнике «в массе» за счет индукции. Если проводником является сфера (шар), электроны проводника будут течь к поверхности полусферы, противоположной кончику стержня.
Двойные сферы
Представьте, что произойдет, если, пока друг держит стержень сверху на месте, вы сдвинете второй, также нейтральный, проводящий шар, по первому, прямо напротив места размещения стержня. Собравшиеся там электроны воспользуются возможностью уйти еще дальше от стержня и его отталкивающих электронов и переместятся в дальнюю сторону.этосфера.
Теперь вы можете проявить творческий подход. Если вы хотите, чтобы второй шар оставался заряженным, просто разведите два шара в стороны.пока стержень еще на месте(и таким образом «отвлекают» положительные заряды). В конечном итоге электроны переходят от стержня ко второй сфере, где они равномерно распределяются по ее поверхности. Первый шар возвращается в исходное нейтральное и однородное состояние.
- Несимметричные объекты действуют по одним и тем же физическим правилам, но выяснить «точное» поведение электронов не так просто, как в случае сфер.
Провода заземления
Вы когда-нибудь задумывались о том, чтозаземляющие проводаделать, или как они работают? Земля считается электрически нейтральной, но она достаточно велика, чтобы без последствий поглощать локальные возмущения заряда. Из-за этого Земля может действовать как обширный резервуар или буфер для заряда, поставляя электроны по мере необходимости через заземляющие провода в нейтрализовать положительно заряженные предметы или принимать их от отрицательно заряженных предметов через провод в противоположном направлении направление.
Таким образом, чтобы предотвратить нежелательное напряжение из-за значительного накопления чистых зарядов на больших проводящих объектах, заземляющие провода предлагают функцию безопасности в современном мире с высокой степенью электричества.
ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
К диэлектрикам относятся вещества, плохо проводящие электрический ток (плохо по сравнению с проводниками). Термин введен Фарадеем ( dia (греч.) — через) для обозначения сред, через которые проникает электрическое поле (напомним, что через проводники электростатическое поле не проникает).
Выясним, что происходит с диэлектриком в электрическом поле. Зарядим электрометр и отметим его показания. Приблизим к электрометру незаряженный диэлектрик, например, толстую стеклянную пластину (рис.11.1). Показания электрометра уменьшаются.
Такой же эффект наблюдается и для проводников. Как отмечалось ранее (лк. №9 п.1), на теле возникают индукционные заряды, которые изменяют поле.
Появление зарядов ведет к возникновению сил, действующих даже на незаряженные диэлектрики. Стеклянная или парафиновая палочка, подвешенная на нити, будет поворачиваться вдоль электрического поля (рис.11.2). Следовательно, на ближайшей к шару части палочки появляются заряды, разноименные с зарядом шара, а на удаленной части — одноименные.
Однако между проводниками и диэлектриками есть существенное различие. Повторим опыт, описанный в лк.№9 п.1, но к электроскопам подсоединим диэлектрик (рис.11.3).
Если разделить его на две части, то они окажутся в целом незаряженными, и листочки электроскопов не разойдутся.
Приведенные опыты показывают, что на первоначально незаряженных диэлектриках в электрическом поле возникают электрические заряды. На диэлектрике появляются электрические полюсы, отчего явление получило название поляризации диэлектриков. Появившиеся заряды будем называть поляризационными. Их существенное отличие от свободных зарядов в проводниках заключается в том, что отделить друг от друга поляризационные заряды невозможно, поэтому их еще называют связанными.
| rem: Заметим, что в любом веществе есть как свободные, так и связанные заряды. Внешнее электрическое поле действует двояко: во-первых, начинает перемещать свободные заряды, то есть возникает электрический ток; во-вторых, перераспределяет электрические заряды, то есть поляризует вещество (рис.11.4). В зависимости от того, какой процесс преобладает, вещества и делятся на проводники и диэлектрики. Очевидно, что изменяя внешние условия, например, температуру, можно изменить баланс между этими процессами. Поэтому мы и отмечаем, что в природе нет абсолютных диэлектриков или абсолютных проводников. |
2. Поляризованность.
Будем считать, что нейтральная молекула (или атом) в диэлектрике под воздействием электрического поля превращаются в диполь, который имеет дипольный момент
(11.1)
| rem: В некоторых диэлектриках и без внешнего поля уже есть диполи. О причинах (см. лк. №13 п.5). |
Для количественной характеристики поляризации диэлектрика служит физическая величина, которая называется поляризованностью.
| def: Поляризованностью диэлектрика называется электрический дипольный момент всех молекул в единице объема диэлектрика. (11.2) |
Если диэлектрик однородный и смещение зарядов по всему объему одинаково, то поляризованность (устаревшее название — вектор поляризации) будет однородна.
Возьмем тонкую диэлектрическую пластинку и выделим в ней элементарный объем в виде наклонного цилиндра с образующей, параллельной полю (рис.11.5). Ясно, что объем этого цилиндра , где a — угол между направлением поля и нормалью. Поляризованность всего объема цилиндра . С другой стороны это есть не что иное, как дипольный момент системы зарядов на поверхностях , где — поверхностная плотность связанных зарядов. Так как и имеют одно направление, то, приравняв, получим
где — проекция вектора поляризованности на внешнюю нормаль к соответствующей поверхности. Для правой поверхности (см. рис.) >0 и s >0, для левой <0 и s <0. Нормальная составляющая поляризованности представляет количество электричества (заряд), смещаемого через единичную площадку в направлении нормали к ней.
3. Объемные заряды в диэлектриках.
Если вектор поляризованности различен в разных точках пространства, то есть поляризация неоднородная, то в диэлектрике могут появиться и объемные заряды. Рассмотрим внутри неоднородно поляризованного диэлектрика б/м объем dV (рис.11.6). Поляризованность в точке М(x,y,z) равна . Тогда положительный заряд на грани 1234 (выходящий из объема dV) равен (q= s S)
а заряд на грани 5678 (входящий в объем dV)
Разность этих зарядов
По смыслу — это заряд, который должен образоваться внутри объема, чтобы нейтрализовать действие внешнего поля.
Ясно, что аналогичная ситуация должна быть и на других гранях, то есть образующийся внутри объема dV заряд должен равняться
С другой стороны, этот же заряд равен , где — объемная плотность связанных зарядов. Очевидно, что в скобках формулы (11.10) стоит оператор дивергенции. Тогда
4. Электрическая индукция.
Связанные заряды отличаются от свободных только тем, что не могут существовать отдельно друг от друга. Они также являются источником поля и для них можно записать теорему Гаусса
Отсюда легко получить
Величину, стоящую в скобках, принято называть индукцией электрического поля (по старому — электрическим смещением).
Ясно, что поляризованность диэлектрика должна быть связана с напряженностью электрического поля в данной точке. Самое простое — предположить, что они пропорциональны друг другу (это выполняется, как показывает эксперимент, для очень большого класса веществ).
где c — коэффициент пропорциональности, называемый диэлектрической восприимчивостью, а электрическую постоянную вводим для удобства записи. Тогда
Величина, стоящая в скобках, по смыслу совпадает с диэлектрической проницаемостью среды e (с ней мы уже встречались лк. №3 п.8). Очевидно, что
Пусть два заряженных шарика взаимодействуют между собой в вакууме. Погрузим их в изолирующую (диэлектрическую) жидкость, например, в керосин (рис.11.7). Сила взаимодействия при этом заметно уменьшается. Керосин поляризуется, и у поверхности положительного шарика собираются отрицательные заряды молекулярных диполей керосина, а около отрицательного шарика — положительные заряды. Легко видеть, что поле при этом ослабевает, следовательно, уменьшается и сила взаимодействия между шариками.
Этим объясняется ряд известных опытов.
Парафиновый шарик б притягивается к заряженному металлическому шарику а в воздухе, но отталкивается от него в ацетоне (рис.11.8). Это объясняется тем, что диэлектрическая проницаемость ацетона e =20,74 больше, чем диэлектрическая проницаемость парафина e =1,90-2,20. По сути дела парафиновый шарик вместе со слоем окружающего диэлектрика имеет тот же по знаку заряд, что и металлический шар.
Еще один эксперимент — это опыт Пуччианти. В стакан с керосином ( e =2,10) помещается металлический заряженный шарик, вблизи которого из трубки выходят пузырьки воздуха ( e =1,00059), отталкиваясь от шарика. Вы теперь уже достаточно подготовлены, чтобы объяснить причину этого явления. Следите только, чтобы воздух выходил достаточно медленно, тогда пузырьки не будут электризоваться.
5. Теорема Гаусса в диэлектриках.
Из формул (11.15) и (11.16) следует теорема Гаусса для диэлектриков.
В дифференциальной форме
В интегральной форме
Например, напряженность однородно заряженного резинового ( e =4,20) шара в керосине ( e =2,10) выглядит следующим образом (рис.11.10).
6. Электрическая индукция и напряженность (лучше не читать).
До сих пор мы говорили об однородном изотропном диэлектрике. Если вещество анизотропно, то связь между индукцией и напряженностью усложняется. Они уже не обязательно должны быть сонаправлены друг с другом. Как известно, связь между двумя произвольными векторами осуществляется с помощью тензора второго ранга. Таким тензором и является диэлектрическая проницаемость.
Если еще электрические поля достаточно сильные, например, в лазерах, то связь еще более усложняется
Поясним, что суммирование идет по повторяющимся индексам. Линейная зависимость нарушается и в некоторых веществах (см. лекцию №12).
7. Граничные условия.
Рассмотрим границу двух диэлектриков, на которые наложено внешнее поле . Под действием внешнего поля оба диэлектрика поляризуются и вблизи границы в каждом из них появятся поляризационные заряды (рис.11.11). Они создадут собственное поле
причем в обоих диэлектриках поле направлено в разные стороны. Если для определенности считать, что | s 1|>| s 2|, то поля направлены от поверхности. Так как электрическое поле заряженной поверхности перпендикулярно ей, то касательные составляющие результирующего поля равны друг другу
Нормальные же составляющие терпят разрыв
Если кроме поляризационных зарядов на границе имеются еще и свободные заряды с поверхностной плотностью s , то
Формулы (11.26) и (11.30) называются граничными условиями для касательной составляющей напряженности и нормальной составляющей индукции электрического поля.
Если на поверхности есть свободный заряд, то электрическая индукция терпит разрыв. Если такого заряда нет, то индукция непрерывна.
8. Преломление линий электрической индукции.
Из рисунка 11.12 видно, что
Таким образом, на границе двух диэлектриков линии электрической индукции преломляются.
В однородном изотропном диэлектрике индукция и напряженность сонаправлены, следовательно, линии напряженности преломляются аналогично. Однако картины линий индукции и линий напряженности будут все же различны. Линии индукции непрерывны, а линии напряженности частично прерываются на границе раздела. На рис.11.13а и 11.13б показано преломление электрического поля на бесконечной плоскопараллельной диэлектрической пластинке. Угадайте, где линии индукции, а где напряженности?
На рис.11.13в показаны линии индукции для пластинки конечных размеров. Когда линии индукции переходят из среды с меньшей проницаемостью в среду с большей проницаемостью, то вследствие преломления они оказываются ближе друг к другу. В этом смысле можно говорить, что в диэлектрике эти линии сгущаются.
На рис.11.14 изображено изменение однородного поля при внесении в него диэлектрического шара (или цилиндра, ось которого перпендикулярна плоскости чертежа).
Диэлектрическая проницаемость шара на рис.11.14а больше, а на рис.11.14б меньше диэлектрической проницаемости среды. В первом случае линии индукции концентрируются, а во втором случае становятся более редкими.
Для описания полого диэлектрика предоставим слово профессору А.А.Эйхенвальду.
«Если въ какомъ-нибудь полъ помъстить полый дiэлектрикъ, напръмеръ, въ видъ цилиндра, то вслъдствiе концентрацiи линiй силъ въ дiэлектрикъ внутри его полости поле будетъ ослаблено (рис.11.15). Это ослабленiе будетъ тъмъ значительнъе, чъмъ совершеннъе замкнута сама полость и чъмъ больше дiэлектрическая постоянная дiэлектрика. Если же будетъ помъщенъ полый проводникъ, то во внутренней полости совсъмъ не будет линiй силъ(рис.11.16)».
9. Измерение индукции и напряженности.
Физики всегда радуются, когда удается указать принципиальный способ измерения какой-либо величины. Вырежем внутри диэлектрика длинную узкую полость вдоль поля и поместим туда пробный заряд, равный 1 Кл. (рис.11.17). Влиянием поляризационных зарядов на торцах полости можно пренебречь, поэтому поле будет создаваться только зарядами у внешней поверхности диэлектрика, а это и есть напряженность внутри диэлектрика. Следовательно, напряженность численно равна силе, которую можно измерить механическими способами.
Теперь вырежем полость поперек поля (рис.11.18)
Поля наружных и внутренних поляризационных зарядов компенсируют друг друга, и останется только внешнее поле, а его индукция и есть индукция внутри диэлектрика в соответствии с (11.30). Следовательно, измеряем силу, умножаем на e 0 и получаем индукцию внутри диэлектрика.
Конечно, эти способы представляют только теоретический интерес. Для однородного поля все гораздо проще. Измерив разность потенциалов между пластинами, и зная расстояние между ними, определяем напряженность E= Dj /d, опираясь на связь напряженности и потенциала (7.8). Построив на любой из пластин поверхность в форме консервной банки и применив теорему Гаусса (11.21), имеем D=q/S, то есть нужно определить заряд на пластинах и измерить их площадь.
10. Единица измерения индукции.
У этой величины нет собственного наименования единицы измерения. очевидно, что она измеряется в тех же единицах, что и поляризованность и поверхностная плотность заряда, то есть Кл/м 2 .
11. Некоторые дополнения.
Следует отметить, что название «электрическое смещение» подходит только к поляризационной составляющей вектора электрической индукции, связанной с присутствием вещества и его перестройкой (смещением зарядов) во внешнем поле. В вакууме эта часть исчезает, но тем не менее индукция и там не равна нулю.
При изучении переменных полей мы увидим, что именно эта величин определяет так называемый ток смещения.
В заключении нужно подчеркнуть, что индукция и напряженность представляют собой различные физические величины с различным физическим смыслом. Однако в некоторых случаях, например для описания электрического поля в вакууме достаточно только одного вектора напряженности электрического поля.
§ 37. Почему электрическое поле ослабляется внутри диэлектрика?
Поляризация диэлектрика. Чтобы понять, почему поле внутри диэлектрика меньше, чем в вакууме, нужно учесть, что все тела построены из атомов и молекул. Атомы и молекулы в свою очередь состоят из положительных и отрицательных зарядов (атомных ядер и электронов), так что всякий диэлектрик представляет собой собрание большого числа заряженных частиц.
В молекулах эти положительные и отрицательные заряды нередко расположены так, что одна половина молекулы имеет по преимуществу положительный заряд, а другая – отрицательный. Такая молекула, грубо говоря, имеет вид палочки или стрелки с противоположно заряженными концами (рис. 65). Такие молекулы часто называют диполями (двухполюсниками, от греческого слова «ди» — два). Положительный и отрицательный заряды в каждой молекуле одинаковы, и поэтому любая молекула в целом не заряжена. Однако при помещении дипольных молекул в электрическое поле на каждую молекулу будут действовать силы, стремящиеся установить ее по направлению линий поля.
Рис. 65. Модель дипольной молекулы диэлектрика
В естественном состоянии, т. е. в отсутствие внешнего поля, молекулы вещества ориентированы совершенно хаотически. В любой части диэлектрика будут находиться одинаковые положительные и отрицательные заряды в самом хаотическом расположении (рис. 66, а), и поэтому результирующее действие этих зарядов будет равно нулю. Когда мы помещаем диэлектрик с дипольными молекулами в электрическое поле, то под действием сил поля, стремящихся повернуть диполи, молекулы поворачиваются так, чтобы их электрические оси установились по возможности по линиям поля. Говоря «по возможности», мы имеем в виду следующее. Действие электрического поля стремится установить упорядоченное расположение молекул, выстроить их цепочками, как показано на рис. 66, б и в.
Рис. 66. Поляризация диэлектрика в электрическом поле: а) электрическое поле отсутствует; б) электрическое поле слабое; в) электрическое поле сильное. Условно положительно заряженный конец диполя обозначен штриховкой
С другой стороны, тепловое движение молекул (см. том I) стремится все время расстроить эту упорядоченность и восстановить хаотическое, беспорядочное расположение молекул, показанное на рис. 66, а. Борьба между этими противоположно направленными факторами, из которых первый зависит от напряженности поля и индивидуальных свойств данного вещества, а второй определяется температурой, приводит к тому, что в поле данной напряженности не все, а лишь большая или меньшая часть молекул располагается своими осями близко к направлению поля.
Следствием этого упорядочения в расположении молекул является то, что на поверхности диэлектрика образуются равные по модулю, но противоположные по знаку электрические заряды. Эти заряды тем больше, чем более упорядочено расположение молекул. На рис. 66, в заряд на границах диэлектрика больше, чем на рис. 66, б. Диэлектрик приобретает «электрические полюсы» или, как принято говорить, поляризуется. Причина ослабления поля в диэлектрике и заключается в поляризации последнего.
Действительно, представим себе плоский конденсатор, заполненный диэлектриком (рис. 67), причем на левой обкладке имеется положительный заряд, а на правой – отрицательный. Так как одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются, то, очевидно, у левой (положительной) обкладки возникает на поверхности диэлектрика отрицательный поляризационный заряд, а у правой обкладки – положительный. Таким образом, поле , создаваемое поляризационными зарядами, направлено противоположно полю , создаваемому зарядами на обкладках, и потому ослабляет его. Результирующее поле в диэлектрике оказывается меньше, чем в отсутствие диэлектрика.
Рис. 67. Поле , созданное поляризационными зарядами и направлено противоположно полю , которое создано зарядами и на обкладках конденсатора
Мы рассматривали до сих пор только действие поля на диэлектрик, проявляющееся в повороте молекул и упорядочении их ориентации. Кроме этого действия поля, в некоторых веществах возможно и смещение зарядов в пределах каждой молекулы или, как говорят, поляризация каждой отдельной молекулы. Это действие поля еще более увеличивает поляризационные заряды, возникающие на поверхности диэлектрика, и, следовательно, приводит к еще большему ослаблению результирующего поля.
Поляризация диэлектриков напоминает собой электризацию через влияние (§ 8). Однако между этими явлениями существует и различие. Мы видели, что электризация проводников посредством влияния объясняется перемещением свободных электронов, которые в проводниках могут передвигаться по всему объему проводника. Разъединяя в электрическом поле проводник на две части, мы можем отделить индуцированные заряды, и обе половины проводника останутся заряженными даже после устранения поля, вызвавшего эти заряды. В противоположность этому, внутри диэлектрика электрические заряды не могут свободно перемещаться, а могут только смещаться в пределах своей молекулы.
Поэтому, если разделить поляризованный диэлектрик в электрическом поле на две части, то каждая часть будет состоять по-прежнему из незаряженных в целом молекул, и полный ее заряд тоже будет равен нулю. На поверхности каждой из частей заряды, однако, будут, и притом на одном конце положительные, а на другом – отрицательные (рис. 68). Это и понятно, так как к каждой части можно применить те же рассуждения, что и для целого куска диэлектрика. При устранении внешнего поля заряды внутри молекул под действием теплового движения возвращаются в исходное неупорядоченное расположение, и поляризационные заряды исчезают. Мы видим, что поляризационные заряды, в отличие от индуцированных, не могут быть отделены друг от друга. Поэтому поляризационные заряды часто называются еще связанными зарядами.
Рис. 68. При разделении поляризованного диэлектрика на две части на поверхности каждой из них возникают поляризационные заряды противоположных знаков. Поляризация диэлектрика: а) до разделения; б) после разделения