"Физика. Базовый и углубленный уровни (в 2 частях) ", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.
Диэлектрик — вещество, в котором заряды не могут свободно перемещаться по всему образцу, как в проводнике. Однако под действием электрического поля связанные заряды немного смещаются, а полярные молекулы поворачиваются. Это явление называют поляризацией. Возникающие на поверхности связанные заряды создают поле, направленное против внешнего, поэтому результирующее поле внутри вещества ослабевает. Насколько оно слабее, показывает диэлектрическая проницаемость ε.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Диэлектрик — вещество, в котором нет свободных носителей заряда, способных перемещаться по всему образцу. В проводнике такие заряды могут переходить из одной части тела в другую, а в диэлектрике заряды связаны с атомами или молекулами и лишь немного смещаются. Это различие помогает понять, почему диэлектрик не проводит ток как проводник, но всё же реагирует на электрическое поле.
Поляризация диэлектрика — упорядоченное смещение связанных зарядов или ориентация молекул под действием электрического поля. Заряды при этом не проходят сквозь всё вещество: меняется их положение внутри молекул либо направление молекул в целом. Понятие поляризации нужно, чтобы объяснить, почему поле внутри диэлектрика отличается от поля в вакууме.
Диэлектрическая проницаемость ε — безразмерная величина, показывающая, во сколько раз поле в однородном диэлектрике слабее поля в вакууме при тех же условиях. Для сравнения обычно фиксируют свободные заряды, создающие поле. Значение ε зависит от вещества и позволяет рассчитать напряжённость поля после заполнения промежутка диэлектриком.
В молекуле положительный заряд связан с ядрами атомов, а отрицательный — с электронами. У полярной молекулы центры этих зарядов не совпадают, поэтому она обладает собственным электрическим диполем, то есть разделением положительного и отрицательного зарядов. У неполярной молекулы без внешнего поля центры зарядов совпадают, и постоянного диполя нет.
Когда неполярная молекула попадает во внешнее поле, оно действует на положительные и отрицательные заряды в противоположных направлениях. Зарядовые облака немного смещаются друг относительно друга, и молекула приобретает дипольные свойства. В полярных молекулах поле стремится повернуть уже существующие диполи вдоль своего направления, хотя тепловое движение мешает им выстроиться совершенно одинаково. Оба процесса создают упорядоченность зарядов — поляризацию.
Поляризованные молекулы расположены так, что на противоположных поверхностях диэлектрика проявляются связанные заряды разных знаков. Они называются связанными, потому что не могут свободно покинуть свои молекулы и перемещаться по всему образцу. Эти заряды создают дополнительное электрическое поле внутри вещества, направленное против внешнего поля. Поэтому нельзя считать, что их поле усиливает поле источника.
Суммарное поле внутри диэлектрика складывается из внешнего поля и поля связанных зарядов. Поскольку эти поля направлены противоположно, результирующая напряжённость становится меньше, чем была бы в вакууме. Например, при заполнении диэлектриком промежутка между пластинами конденсатора поляризация ослабляет поле между пластинами. Насколько оно ослабнет, зависит от свойств вещества.
Если свободные заряды, создающие поле, не изменились, напряжённость связана с полем в вакууме формулой E = E₀/ε. Здесь E — напряжённость в диэлектрике, E₀ — напряжённость в вакууме, а ε — диэлектрическая проницаемость. У разных веществ ε различна и обычно больше единицы, поэтому E меньше E₀. Условия сравнения важны: если конденсатор подключён к источнику, его заряд может измениться.
| Признак | Неполярные молекулы | Полярные молекулы |
|---|---|---|
| Расположение центров положительных и отрицательных зарядов без внешнего поля | Центры совпадают. | Центры не совпадают. |
| Что происходит во внешнем электрическом поле | Связанные заряды немного смещаются относительно друг друга. | Диполи поворачиваются, стремясь ориентироваться вдоль поля. |
| Как возникает поляризация | Молекулы приобретают дипольные свойства из-за смещения зарядов. | Молекулы ориентируются, хотя тепловое движение мешает полной упорядоченности. |
| Какое поле создают связанные заряды | Направленное против внешнего поля внутри вещества. | Направленное против внешнего поля внутри вещества. |
| Примеры веществ | Азот, кислород. | Вода, хлороводород. |
Сравнивайте молекулы сначала по положению центров зарядов без поля, а затем — по реакции на внешнее поле. В обоих случаях результатом будет поляризация и возникновение поля связанных зарядов, противодействующего внешнему. Примеры показывают тип молекул, а не то, что вещество целиком приобретает суммарный заряд.
Между пластинами конденсатора поле в вакууме равно 600 В/м. Пространство между пластинами заполнили диэлектриком с ε = 3; свободный заряд пластин не изменился. Нужно найти напряжённость поля в диэлектрике. Так как заряд сохранился, условия позволяют применить E = E₀/ε.
Запишем данные: E₀ = 600 В/м, ε = 3. Искомая величина — E, поле внутри диэлектрика. Сохранение свободного заряда указано в условии, поэтому сравнение корректно.
Подставим значения в формулу: E = E₀/ε = 600/3. Деление на ε отражает ослабление поля из-за поляризации вещества. Получаем E = 200 В/м.
Проверим результат: ε больше единицы, значит поле в диэлектрике должно быть слабее вакуумного. 200 В/м меньше 600 В/м, поэтому ответ согласуется с физическим смыслом.
Ответ: 200 В/м.
Напряжённость поля в диэлектрике равна 2·10⁴ В/м, диэлектрическая проницаемость вещества — 4. Найдём напряжённость поля в вакууме при тех же свободных зарядах. Здесь известна величина E, а требуется E₀, поэтому формулу нужно преобразовать, а не делить известное поле ещё раз на ε.
Начинаем с соотношения E = E₀/ε. Умножим обе части на ε, чтобы выразить поле в вакууме: E₀ = εE. Это поле при тех же свободных зарядах, но без диэлектрика.
Подставим числа: E₀ = 4 · 2·10⁴ В/м = 8·10⁴ В/м. Умножение логично: поле в вакууме должно быть в четыре раза сильнее, чем в данном веществе. Единица измерения остаётся В/м.
Проверим: 8·10⁴/4 = 2·10⁴ В/м, то есть возвращаемся к указанному полю в диэлектрике. Значит, величины не перепутаны.
Ответ: 8·10⁴ В/м.
Плоский конденсатор отключили от источника, а затем заполнили диэлектриком с ε = 5. Нужно определить, как изменится поле между пластинами. После отключения источник уже не может добавлять или убирать заряд, поэтому свободный заряд пластин сохраняется. Значит, можно сравнить поле до и после заполнения по формуле E = E₀/ε.
Обозначим поле до заполнения через E₀, а поле после заполнения — через E. По условию ε = 5. Заряд пластин не меняется именно потому, что конденсатор отключён от источника.
Применим зависимость E = E₀/ε и подставим проницаемость: E = E₀/5. Следовательно, поле после заполнения составляет одну пятую от исходного. Это означает уменьшение в пять раз.
Проверим направление изменения: поляризация создаёт поле против исходного, поэтому результат должен быть меньше E₀. Полученное отношение этому соответствует. Численное значение в В/м найти нельзя, потому что исходное поле не задано.
Ответ: напряжённость уменьшится в 5 раз.
Считать, что в диэлектрике совсем нет зарядов, — неверно: в нём есть связанные заряды, просто они не перемещаются свободно по всему веществу. Такую ошибку допускают, смешивая отсутствие свободных носителей с отсутствием заряженных частиц. Проверка: вспомните, что атомы содержат положительно заряженные ядра и отрицательные электроны, а поле может смещать их. Значит, диэлектрик способен поляризоваться.
Поляризация не означает перенос электронов через весь образец. Обычно так думают, потому что в проводнике поле действительно вызывает движение свободных зарядов. В диэлектрике речь идёт о небольшом смещении связанных зарядов внутри молекул или повороте полярных молекул. Чтобы проверить себя, спросите, покинул ли заряд свою молекулу и прошёл ли через вещество: при поляризации этого не требуется.
Поле связанных зарядов внутри диэлектрика направлено против внешнего, а не по его направлению. Ошибка возникает, если не учесть, что на противоположных поверхностях появляются связанные заряды разных знаков. По принципу суперпозиции нужно сложить поля с учётом их направлений: встречное поле уменьшает результирующее. Проверка — после поляризации поле должно быть слабее, чем в вакууме при тех же свободных зарядах.
Нельзя применять E = E₀/ε, не проверив условия сравнения. Формула предполагает одинаковые свободные заряды, но при подключённом к источнику конденсаторе заряд может изменяться, поскольку источник поддерживает напряжение. Эту ошибку предотвращает вопрос: отключён ли конденсатор и что именно осталось неизменным? Если свободный заряд сохранился, формула применима; если нет, нужно учитывать новые условия.
Для изучения диэлектриков нужно знать, что такое электрическое поле и напряжённость: напряжённость показывает действие поля на заряд. Также пригодится принцип суперпозиции — результирующее поле равно векторной сумме полей от разных источников. Он помогает понять, почему поле связанных зарядов изменяет внешнее поле.
Понятия электрического заряда и диполя объясняют строение полярных молекул. Диполь можно представить как разделённые на небольшое расстояние заряды противоположных знаков. Их положение и ориентация меняются под действием внешнего поля.
Поляризация важна при изучении конденсаторов: диэлектрик между пластинами влияет на поле и электрическую ёмкость. Эти знания также пригодятся при рассмотрении энергии электрического поля. При решении задач о конденсаторах необходимо различать случаи постоянного заряда и постоянного напряжения.
Почему диэлектрик поляризуется, если его молекулы в целом нейтральны?
Нейтральность означает, что положительный и отрицательный заряды молекулы равны по величине, но они могут быть немного смещены относительно друг друга. Внешнее поле сдвигает связанные заряды или поворачивает молекулы, поэтому внутри вещества появляется упорядоченное распределение зарядов.
Чем полярная молекула отличается от неполярной?
У полярной молекулы центры положительного и отрицательного зарядов не совпадают даже без внешнего поля. У неполярной молекулы они совпадают, пока на неё не действует электрическое поле.
Куда направлено поле, создаваемое связанными зарядами?
Внутри диэлектрика оно направлено против внешнего поля. Поэтому поле связанных зарядов ослабляет результирующее поле в веществе.
Что показывает диэлектрическая проницаемость?
Она показывает, во сколько раз напряжённость поля в однородном диэлектрике меньше, чем в вакууме при одинаковых свободных зарядах. Это безразмерная величина, обычно большая единицы.
При каких условиях напряжённость поля в диэлектрике равна E₀/ε?
Это соотношение применяют при одинаковых свободных зарядах, создающих поле, например когда заряд пластин конденсатора не изменился. Если конденсатор остаётся подключённым к источнику, напряжение может поддерживаться постоянным, а заряд пластин — измениться, поэтому условия сравнения нужно проверить.
2. Диэлектрики в электрическом поле
