§ 94. Диэлектрики в электростатическом поле. Два вида диэлектриков

Определения и обозначения

Диэлектрик — вещество, в котором нет свободных носителей заряда, способных перемещаться по всему объёму. Заряды в нём есть, но они связаны внутри атомов и молекул и не могут переносить заряд через всё тело, как в проводнике. Поэтому диэлектрик не проводит электрический ток.

Неполярная молекула — молекула, у которой без внешнего поля центры положительного и отрицательного зарядов совпадают. Это значит, что молекула в целом не является электрическим диполем. Такое свойство важно для понимания того, почему поле сначала должно разделить связанные заряды.

Полярная молекула — молекула, у которой центры положительного и отрицательного зарядов не совпадают даже без внешнего поля. Поэтому у неё уже есть дипольный момент — характеристика разделения зарядов в молекуле. Поле может поворачивать такой готовый диполь.

Поляризация диэлектрика — смещение связанных зарядов или упорядочение полярных молекул под действием электрического поля. Иными словами, поле меняет распределение зарядов внутри вещества, хотя они не начинают свободно течь через него. Это понятие объясняет, почему диэлектрик изменяет поле вокруг себя.

Как это устроено

В атомах и молекулах диэлектрика положительные и отрицательные заряды удерживаются силами взаимодействия. Поэтому электрическое поле может слегка сдвинуть их относительно друг друга, но не вырвать и не заставить свободно двигаться через весь материал. Заряд лишь перераспределяется внутри частиц, а не переносится потоком сквозь вещество. Именно поэтому действие поля на диэлектрик не означает, что он стал проводником.

У неполярной молекулы до включения поля центры зарядов совпадают, и постоянного дипольного момента нет. Когда молекула попадает в поле, на положительные и отрицательные заряды действуют силы противоположных направлений. Эти силы немного смещают заряды друг относительно друга, но связь между ними сохраняется. В результате возникает наведённый дипольный момент: молекула поляризуется, хотя прежде не была полярной.

Полярная молекула уже имеет разделённые центры зарядов, поэтому поле не должно создавать в ней диполь заново. На её положительную и отрицательную части действуют силы, стремящиеся развернуть молекулу определённым образом. Однако молекулы непрерывно сталкиваются и движутся из-за теплового движения. Поэтому часть диполей ориентирована не по полю, и идеального общего выстраивания не получается.

При поляризации положительные и отрицательные связанные заряды немного смещаются в противоположные стороны. В объёме их действия в основном компенсируются, но на поверхности диэлектрика компенсация нарушается, и появляются связанные заряды. Эти заряды создают собственное электрическое поле. В обычной ситуации оно направлено против внешнего поля, поэтому результирующая напряжённость внутри вещества уменьшается.

Поле без диэлектрика обозначают E₀, а поле внутри него — E. Для сравнения используют диэлектрическую проницаемость ε: в рассматриваемом случае ε = E₀/E. Она показывает, во сколько раз диэлектрик ослабляет поле по сравнению с полем без него. Чем больше ε, тем сильнее ослабление при прочих равных условиях.

Два вида диэлектриков и их поведение в электрическом поле

Сначала сравните положение центров зарядов до включения поля: это сразу отличает два вида молекул. Затем проследите, меняет ли поле форму распределения зарядов или преимущественно поворачивает готовые диполи. Примеры помогают закрепить различие, но классифицировать молекулы следует по их строению.

Разбор задач

1. Полярные и неполярные молекулы

Определить вид молекул азота N₂ и воды H₂O, если у первой центры зарядов совпадают, а у второй не совпадают. Здесь важно использовать состояние молекул без внешнего поля: именно оно задаёт определение полярности. Нужно сравнить данное в условии расположение центров с признаками двух видов молекул.

1. Для N₂ центры положительного и отрицательного зарядов совпадают.
2. Совпадение центров означает, что молекула неполярная.
3. Для H₂O центры зарядов не совпадают, следовательно, молекула полярная.

Ответ: N₂ — неполярная молекула, H₂O — полярная.

2. Наведённый диполь

Неполярный диэлектрик поместили в однородное электрическое поле. Нужно объяснить, почему его молекулы приобретают дипольный момент, хотя до этого его не имели. Нельзя говорить, что поле поворачивает готовые диполи: в неполярных молекулах их ещё нет.

1. До действия поля центры положительного и отрицательного зарядов совпадают.
2. Поле действует на заряды с силами противоположных направлений.
3. Связанные заряды немного смещаются, центры перестают совпадать, и появляется наведённый дипольный момент.

Заряды остаются связанными внутри молекул, поэтому появление диполей не превращает диэлектрик в проводник. Ответ: поле смещает связанные заряды и создаёт наведённые диполи.

3. Ослабление поля

Поле без диэлектрика равно 600 Н/Кл, а внутри диэлектрика — 150 Н/Кл. Найти диэлектрическую проницаемость и указать направление поля связанных зарядов. Поскольку поле стало слабее, проницаемость найдём как отношение исходной напряжённости к напряжённости внутри вещества. Направление собственного поля диэлектрика проверим по тому, усиливает оно внешнее поле или уменьшает его.

1. Записываем отношение: ε = E₀/E.
2. Подставляем значения: ε = 600/150 = 4.
3. Поле связанных зарядов должно уменьшать внешнее, поэтому оно направлено против него.

Значение ε = 4 означает, что в данных условиях поле внутри диэлектрика в четыре раза слабее, чем без него. Это ослабление связано с поляризацией, а не с исчезновением внешнего поля. Ответ: ε = 4; поле связанных зарядов направлено против внешнего поля.

Типичные ошибки

• Считать, что в диэлектрике вообще нет зарядов. Заряды есть, но они связаны, поэтому их нельзя считать свободными носителями тока. Ошибка возникает из-за смешения понятий «нет свободных зарядов» и «нет зарядов». Проверьте себя: способны ли заряды пройти через всё вещество под действием поля?
• Путать полярную и поляризованную молекулы. Полярность описывает молекулу без внешнего поля, а поляризация — изменение распределения зарядов или ориентации молекул под действием поля. Путаница возникает из-за похожих слов. Проверьте, говорится ли о первоначальном строении или о реакции на поле.
• Утверждать, что поле поворачивает неполярные молекулы. У них нет готового диполя, который можно было бы развернуть: прежде всего поле смещает связанные заряды. Поворот характерен для полярных молекул. Чтобы проверить объяснение, спросите себя, существовал ли диполь до включения поля.
• Считать, что связанные заряды усиливают поле внутри диэлектрика. При обычной поляризации их поле направлено против внешнего и уменьшает результирующую напряжённость. Ошибка может возникнуть, если учитывать только наличие дополнительного поля, но не его направление. Сравните E внутри вещества с E₀: поле диэлектрика должно быть слабее.

Связь с другими темами

Для понимания диэлектриков нужны знания о строении атомов и молекул, электрическом заряде и дипольном моменте. Тема также опирается на напряжённость электрического поля и принцип суперпозиции: результирующее поле складывается из внешнего поля и поля связанных зарядов. Поляризация пригодится при изучении конденсаторов. Если между обкладками конденсатора находится диэлектрик, его поляризация влияет на электрическое поле внутри.

Что запомнить

• Диэлектрик не проводит ток за счёт свободного перемещения зарядов через вещество.
• У неполярной молекулы центры положительных и отрицательных зарядов без поля совпадают.
• У полярной молекулы центры зарядов не совпадают и без внешнего поля.
• Поле смещает связанные заряды в неполярных молекулах и упорядочивает полярные диполи.
• Поляризация создаёт связанные заряды на поверхности диэлектрика.
• Поле связанных зарядов направлено против внешнего поля, поэтому поле внутри диэлектрика ослабляется.