Электрическое поле в веществе

Диэлектриками (или изоляторами) называются вещества практически не проводящие электрический ток. Это значит, что в диэлектриках нет свободных (сторонних) зарядов.

Поляризация диэлектриков. Под действием внешнего электрического поля заряды, входящие в состав молекул диэлектрика (их называют связанными), могут смещаться только на небольшие расстояния. Если диэлектрик состоит из неполярных молекул, то в пределах каждой молекулы происходит смещение зарядов – положительных по полю, отрицательных – против поля. Если диэлектрик состоит из полярных молекул, то дипольные моменты ориентируются преимущественно в направлении внешнего поля. Результат упорядочивания молекулярных диполей под действием внешнего электрического поля называется поляризацией диэлектрика.

Поместим в электрическое поле плоского конденсатора металлическую пластинку (рис.24). Свободные электроны соберутся вблизи положительно заряженной пластины, а вблизи отрицательной пластины выступит положительный заряд. Электроны будут двигаться до тех пор, пока результирующее поле не станет равным нулю: = + =0, где - поле в отсутствии пластинки, - поле зарядов пластинки. Если образец – диэлектрик, то картина будет другой (рис.25). В этом случае - поле связанных зарядов, возникшее вследствие поляризации. Это поле также направлено против внешнего поля , однако уже не может быть равным ему, поскольку связанные заряды ограничены в свободе перемещения

¹ 0. (74)

Для однородно поляризованного диэлектрика результирующее поле и выступивший на поверхности связанный заряд можно подсчитать. В объеме вблизи любого положительного заряда найдется равный ему отрицательный (рис.25), поэтому не скомпенсированный связанный заряд выступит только на поверхности образца, образуя подобие плоского конденсатора (12). Поэтому модули векторов в (74) соответственно равны , , где s и s¢ поверхностные плотности свободных зарядов пластин и поверхностных связанных зарядов диэлектрика соответственно. С учетом этого в проекциях на направление уравнение (74) будет выглядеть так

, Þ . (75)

Таким образом, поле в диэлектрике ослабляется: в некоторое раз. Следовательно, = , Þ ® (75), откуда находим связь s¢ и поля Е в диэлектрике:

. (76) Вектор поляризованности . Если внешнее поле и/или диэлектрик неоднородны, степень поляризации оказывается различной в разных местах диэлектрика. Чтобы охарактеризовать поляризованность в данной точке, выделяют физически бесконечно малый объем диэлектрика ∆V, содержащий эту точку, находят векторную сумму дипольных моментов молекул в этом объеме, и определяют вектор поляризованности следующим образом:

. (78)

Вектор поляризованности имеет смысл дипольного момента единицы объема диэлектрика. Нетрудно сообразить, что вектор поляризованности может быть выражен через концентрацию и средний дипольный момент:

, (79)

где - средний дипольный момент отдельной молекулы, - полное число молекул в объеме ∆V.

В случае неоднородно поляризованного диэлектрика, внутри появится нескомпенсированный связанный заряд с объемной плотностью . Выделим малый объем внутри диэлектрика ∆V. При поляризации входящий в ∆V положительный заряд сместится относительно отрицательного заряда на величину , в результате чего будет приобретен дипольный момент . Разделив на ∆V, получим еще одно выражение для вектора поляризованности

. (80)