Skip to Content

Проводники и диэлектрики в электрическом поле



Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
и внутреннего поля  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
создаваемого заряженными частицами вещества. Вещество многообразно по своим электрическим свойствам. Наиболее широкие классы вещества составляют проводники и диэлектрики. Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. Типичные проводники – металлы. В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды (рис. 4.5.1). Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами. Индукционные заряды создают свое собственное поле  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
которое компенсирует внешнее поле  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
во всем объеме проводника:  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
(внутри проводника). Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.

Электростатическая индукция. 1
Рисунок 4.5.1. Электростатическая индукция.

Все внутренние области проводника, внесенного в электрическое поле, остаются электронейтральными. Если удалить некоторый объем, выделенный внутри проводника, и образовать пустую полость, то электрическое поле внутри полости будет равно нулю. На этом основана электростатическая защита – чувствительные к электрическому полю приборы для исключения влияния поля помещают в металлические ящики (рис. 4.5.2).

Электростатическая защита. 2
Рисунок 4.5.2. Электростатическая защита. Поле в металлической полости равно нулю.

Так как поверхность проводника является эквипотенциальной, силовые линии у поверхности должны быть перпендикулярны к ней. В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика. При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные нескомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов. Связанные заряды создают электрическое поле  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
внешнего поля. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика. В результате полное электрическое поле  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше внешнего поля  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
Физическая величина, равная отношению модуля напряженности  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
полного поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества.

 Проводники и диэлектрики в электрическом поле

  Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная и электронная поляризации. Эти механизмы проявляются главным образом при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.

Ориентационная или дипольная поляризация возникает в случае полярных диэлектриков, состоящих из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи – нейтральную совокупность двух зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Дипольным моментом обладает, например, молекула воды, а также молекулы ряда других диэлектриков (H2S, NO2 и т. д.). При отсутствии внешнего электрического поля оси молекулярных диполей ориентированы хаотично из-за теплового движения, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем равен нулю. При внесении диэлектрика во внешнее поле  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
направленное навстречу внешнему полю  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
(рис. 4.5.3).

Ориентационный механизм 3
Рисунок 4.5.3. Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика.

Поляризация полярных диэлектриков сильно зависит от температуры, так как тепловое движение молекул играет роль дезориентирующего фактора.

Электронный или упругий механизм проявляется при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не обладают в отсутствие внешнего поля дипольным моментом. Под действием электрического поля молекулы неполярных диэлектриков деформируются – положительные заряды смещаются в направлении вектора  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
а отрицательные – в противоположном направлении. В результате каждая молекула превращается в электрический диполь, ось которого направлена вдоль внешнего поля. На поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные связанные заряды, создающие свое поле  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
направленное навстречу внешнему полю  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
Так происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 4.5.4). Деформация неполярных молекул под действием внешнего электрического поля не зависит от их теплового движения, поэтому поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры. Примером неполярной молекулы может служить молекула метана CH4. У этой молекулы четырехкратно ионизированный ион углерода C4– располагается в центре правильной пирамиды, в вершинах которой находятся ионы водорода H+. При наложении внешнего электрического поля ион углерода смещается из центра пирамиды, и у молекулы возникает дипольный момент, пропорциональный внешнему полю.

Поляризация неполярного диэлектрика. 4
Рисунок 4.5.4. Поляризация неполярного диэлектрика.

Электрическое поле  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
связанных зарядов, возникающее при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, изменяется по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
В очень сильных электрических полях эта закономерность может нарушаться, и тогда проявляются различные нелинейные эффекты. В случае полярных диэлектриков в сильных полях может наблюдаться эффект насыщения, когда все молекулярные диполи выстраиваются вдоль силовых линий. В случае неполярных диэлектриков сильное внешнее поле, сравнимое по модулю с внутриатомным полем, может существенно деформировать атомы или молекулы вещества и изменить их электрические свойства. Однако, эти явления практически никогда не наблюдаются, так как для этого нужны поля с напряженностью (1010–1012) В/м. Между тем, гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.

У многих неполярных молекул при поляризации деформируются электронные оболочки, поэтому этот механизм получил название электронной поляризации. Этот механизм является универсальным, поскольку деформация электронных оболочек под действием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика. В случае твердых кристаллических диэлектриков наблюдается так называемая ионная поляризация, при которой ионы разных знаков, составляющие кристаллическую решетку, при наложении внешнего поля смещаются в противоположных направлениях, вследствие чего на гранях кристалла появляются связанные (нескомпенсированные) заряды.

Примером такого механизма может служить поляризация кристалла NaCl, в котором ионы Na+ и Cl– составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. В отсутствие внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла NaCl (см. § 3.6 ) электронейтральна и не обладает дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки смещаются в противоположных направлениях, то есть кристалл поляризуется. При поляризации неоднородного диэлектрика связанные заряды могут возникать не только на поверхностях, но и в объеме диэлектрика. В этом случае электрическое поле  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
связанных зарядов и полное поле  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
могут иметь сложную структуру, зависящую от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
строго справедливо только в случае однородного диэлектрика, заполняющего все пространство, в котором создано внешнее поле. В частности: Если в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд Q, то напряженность поля  Проводники и диэлектрики в электрическом поле
создаваемого этим зарядом в некоторой точке, и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме:

 Проводники и диэлектрики в электрическом поле