"Физика. Базовый и профильный уровни", Тихомирова С.А., Яворский Б.М.
Диэлектрик — вещество, в котором нет свободных носителей заряда, способных перемещаться по всему объёму. Однако внешнее электрическое поле действует на связанные заряды внутри вещества или упорядочивает молекулы с собственными дипольными моментами. Так возникает поляризация и на поверхности появляются связанные заряды. Их поле направлено против внешнего, поэтому напряжённость внутри однородного диэлектрика уменьшается: E = E₀/ε. Это объясняет, как диэлектрик влияет на поле между пластинами конденсатора и почему сила ослабления зависит от вещества.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Диэлектрик — вещество, в котором практически нет свободных носителей заряда, способных перемещаться по всему объёму. Заряды в нём связаны с атомами и молекулами, поэтому не создают обычного тока сквозь вещество. Это понятие помогает отличать диэлектрики от проводников и объяснять, почему поле действует на них иначе.
Поляризация диэлектрика — смещение связанных зарядов или ориентация молекул под действием электрического поля, приводящие к появлению электрических диполей. Диполь — система разделённых положительного и отрицательного зарядов. Поляризация нужна, чтобы описать отклик вещества на поле и понять происхождение зарядов на его поверхности.
Полярная молекула — молекула с несовпадающими центрами положительного и отрицательного зарядов, имеющая собственный дипольный момент. Это означает, что её можно представить как маленький электрический диполь ещё до помещения во внешнее поле. Понятие помогает объяснить ориентацию молекул в полярном диэлектрике.
Относительная диэлектрическая проницаемость — величина ε, показывающая, во сколько раз поле в однородном диэлектрике слабее поля в вакууме при одинаковых условиях. Она зависит от вещества и показывает, насколько заметно оно поляризуется. Через ε рассчитывают напряжённость: E = E₀/ε, где E₀ — поле без диэлектрика.
В неполярном диэлектрике до включения поля центры положительных и отрицательных зарядов в молекулах совпадают. Внешнее поле действует на заряды с силами противоположных направлений: положительный смещает по полю, отрицательный — против него. Из-за этого центры немного расходятся, и молекула приобретает дипольный момент. Смещение мало, поскольку заряды остаются связанными внутри молекулы.
В полярном диэлектрике молекулы уже обладают собственными дипольными моментами, но без поля направлены беспорядочно. Поэтому их суммарное действие на большом участке вещества в среднем компенсируется. Внешнее поле действует на каждый диполь вращающим моментом и стремится повернуть его вдоль поля. Тепловое движение мешает полному порядку, поэтому ориентация становится лишь частичной.
Когда молекулы поляризуются, их положительные и отрицательные заряды немного смещаются относительно друг друга или диполи меняют направление. Внутри однородного вещества соседние участки обычно компенсируют действие зарядов друг друга. На границе диэлектрика такой компенсации не хватает: крайние заряды оказываются открытыми. Поэтому на поверхности возникают связанные заряды, которые остаются частью атомов или молекул и не проходят сквозь вещество.
Связанные заряды создают собственное электрическое поле. Если диэлектрик находится во внешнем поле, распределение поверхностных зарядов таково, что их поле направлено против внешнего. В результате поля складываются с противоположными направлениями, и результирующая напряжённость внутри вещества уменьшается. Это не означает, что внешнее поле исчезает: оно лишь частично компенсируется полем поляризованного диэлектрика.
Для однородного диэлектрика, заполняющего пространство между пластинами конденсатора, напряжённости связаны формулой E = E₀/ε. Здесь E₀ — напряжённость при тех же условиях без диэлектрика, а E — напряжённость после его помещения. Относительная диэлектрическая проницаемость ε характеризует вещество: при ε > 1 поле становится слабее. Чем больше ε, тем сильнее поляризация и тем заметнее ослабление поля.
| Характеристика | Неполярный диэлектрик | Полярный диэлектрик |
|---|---|---|
| Молекулы до помещения в поле | Центры положительных и отрицательных зарядов совпадают; собственного дипольного момента нет. | Центры зарядов не совпадают; у молекул есть собственный дипольный момент. |
| Причина возникновения дипольных моментов | Внешнее поле смещает связанные заряды внутри молекул. | Собственные моменты уже есть; поле изменяет ориентацию молекул. |
| Изменение ориентации молекул | Поле ориентирует диполи, возникающие при смещении зарядов. | Поле частично упорядочивает беспорядочно ориентированные молекулы. |
| Как возникает ослабляющее поле | Поляризация приводит к появлению связанных зарядов на поверхности. | Частичная ориентация диполей приводит к появлению связанных зарядов на поверхности. |
| Примеры веществ | Азот, кислород, водород. | Вода, спирт, аммиак. |
Сначала сравни, есть ли у молекул собственный дипольный момент до включения поля, а затем — что именно меняет поле. В обоих случаях поляризация создаёт связанный поверхностный заряд и ослабляет результирующее поле. Таблица показывает различие в механизме поляризации, а не в направлении её действия.
Задача 1. Между пластинами конденсатора поле без диэлектрика имеет напряжённость 600 В/м. Пространство заполняют диэлектриком с ε = 3. Найдём поле после его помещения. Напряжённость должна уменьшиться, поскольку ε больше единицы.
Ответ: 200 В/м.
Задача 2. В конденсаторе с диэлектриком напряжённость равна 200 В/м, а относительная диэлектрическая проницаемость вещества — 4. Найдём поле без диэлектрика при тех же условиях. Здесь известно E, а требуется исходная напряжённость E₀.
Ответ: 800 В/м.
Задача 3. Поле без диэлектрика равно 900 В/м. В двух случаях конденсатор заполняют веществами с ε₁ = 2 и ε₂ = 5. Вычислим напряжённость для каждого вещества отдельно. Сравнение покажет, какое из них сильнее ослабляет поле.
Ответ: E₁ = 450 В/м, E₂ = 180 В/м; сильнее поле ослабляет вещество с ε = 5.
Ошибка: считать, что заряды в диэлектрике свободно проходят через всё вещество. Такое представление возникает из-за того, что в описании поляризации заряды смещаются. Но смещаются связанные заряды внутри молекул или поворачиваются молекулы, а не происходит перенос носителей сквозь весь объём. Проверь себя: если заряд свободно перемещается по веществу, это уже признак проводника, а не описанного здесь диэлектрика.
Ошибка: путать полярные и неполярные молекулы. Можно решить, что любой диполь появляется только после включения поля, но у полярной молекулы собственный дипольный момент есть заранее. У неполярной он возникает из-за смещения связанных зарядов. Для проверки спроси себя, есть ли у молекулы дипольный момент до действия внешнего поля.
Ошибка: считать, что поле связанных зарядов усиливает внешнее. Это происходит, если забыть, что заряды на поверхности появляются вследствие поляризации именно под действием внешнего поля. Их поле направлено против внешнего, поэтому результирующее поле слабее. Проверка — представить направления двух полей стрелками: они должны быть противоположны.
Ошибка: записывать E = εE₀ вместо E = E₀/ε. Так можно ошибиться, если забыть, что ε показывает, во сколько раз поле ослабляется. При ε > 1 формула E = εE₀ дала бы поле больше исходного, что противоречит поляризации диэлектрика. Проверь результат: напряжённость внутри должна быть меньше E₀.
Для понимания поляризации нужны знания об электрическом поле, напряжённости и электрическом диполе: поле действует на заряды, а диполь помогает описать разделение положительного и отрицательного зарядов. Поляризация объясняет, почему диэлектрик между обкладками меняет свойства конденсатора и его ёмкость. Представление о реакции вещества на поле пригодится при изучении его поведения в электромагнитном поле.
Почему диэлектрик поляризуется, если в нём нет свободных зарядов?
Отсутствие свободных зарядов означает, что они не могут перемещаться через всё вещество. Но связанные положительные и отрицательные заряды внутри молекул могут немного смещаться, а молекулы с дипольными моментами — поворачиваться. Это и приводит к поляризации.
Чем полярная молекула отличается от неполярной?
У полярной молекулы центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают, поэтому у неё есть собственный дипольный момент. У неполярной молекулы эти центры без внешнего поля совпадают, а дипольный момент возникает при смещении связанных зарядов в поле.
Откуда на поверхности диэлектрика берутся связанные заряды?
При поляризации внутри вещества смещаются заряды или ориентируются молекулярные диполи. В объёме их действие обычно компенсируется соседними зарядами, а у поверхности компенсации не хватает. Поэтому там проявляются связанные заряды.
Почему поле внутри диэлектрика слабее внешнего поля?
Связанные заряды на поверхности создают собственное электрическое поле. Оно направлено против внешнего поля, поэтому результирующая напряжённость внутри вещества меньше. Для однородного диэлектрика между пластинами её находят по формуле E = E₀/ε.
Что показывает относительная диэлектрическая проницаемость?
Она показывает, во сколько раз поле в однородном диэлектрике слабее поля без него при одинаковых условиях. Чем больше ε, тем сильнее ослабление. В соотношении E = E₀/ε величина ε зависит от вещества.
**§ 65. Диэлектрики в электрическом поле
