"Физика. Базовый уровень", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А.
Диэлектрик — вещество без свободных носителей заряда, которые могли бы перемещаться по всему его объёму. Во внешнем электрическом поле заряды в молекулах смещаются или диполи поворачиваются, и вещество поляризуется. На его поверхности появляются связанные заряды, создающие поле против внешнего. Поэтому результирующее поле внутри диэлектрика слабее, чем в вакууме. Диэлектрическая проницаемость ε показывает, во сколько раз оно уменьшается: E = E₀/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 объёму. Это не означает, что в веществе вообще нет электрических зарядов: атомы и молекулы состоят из положительных и отрицательных зарядов. Определение помогает отличить диэлектрик от проводника, где заряды могут свободно перемещаться.
Поляризация диэлектрика — упорядочение электрических диполей или их возникновение под действием внешнего электрического поля. Диполь — система из двух равных по модулю разноимённых зарядов, разделённых небольшим расстоянием. Поляризация объясняет, почему нейтральное вещество меняет электрическое поле вокруг себя.
Связанные заряды — заряды на поверхности или внутри диэлектрика, возникающие при его поляризации и не перемещающиеся свободно по веществу. Они связаны с молекулами и не могут пройти через весь образец, как свободные заряды в проводнике. Это понятие нужно, чтобы объяснить появление собственного поля у поляризованного диэлектрика.
Диэлектрическая проницаемость — безразмерная величина ε, показывающая, во сколько раз поле в диэлектрике слабее поля в вакууме при тех же условиях. Напряжённость поля без диэлектрика обозначают E₀, а внутри него — E. Для однородного диэлектрика их связывает формула E = E₀/ε, позволяющая находить одну величину по другой.
Молекулы диэлектриков бывают полярными и неполярными. У полярной молекулы центры положительных и отрицательных зарядов смещены, поэтому она обладает собственным дипольным моментом даже без внешнего поля. У неполярной молекулы эти центры совпадают, и собственного дипольного момента нет. Различие важно, потому что поле поляризует эти два типа молекул разными способами.
В веществе без внешнего поля диполи полярных молекул обычно ориентированы беспорядочно: тепловое движение мешает им выстроиться в одном направлении. Внешнее поле действует на разноимённые заряды диполя силами противоположных направлений и создаёт вращающий момент. Поэтому диполи стремятся повернуться вдоль поля, хотя их ориентация не становится идеально одинаковой. У неполярной молекулы поле смещает положительные и отрицательные заряды в разные стороны, и центры зарядов перестают совпадать.
В обоих случаях отдельные молекулы становятся ориентированными или индуцированными диполями. На соседних участках внутри вещества разноимённые заряды диполей обычно компенсируют друг друга, поэтому результирующий связанный заряд проявляется главным образом на поверхности. Если поле неоднородно, поляризация в разных местах неодинакова: диполи сильнее или слабее смещены в зависимости от положения. Компенсация внутри вещества тогда может быть неполной, и связанные заряды возникают также внутри диэлектрика.
Связанные заряды создают собственное электрическое поле. Внутри диэлектрика оно направлено против внешнего поля: это следует из того, как при поляризации распределяются заряды на противоположных сторонах вещества. Поэтому собственное поле диэлектрика частично компенсирует внешнее, а их результирующая напряжённость становится меньше. Сам диэлектрик при этом остаётся нейтральным в целом: поляризация разделяет заряды, но не создаёт их суммарный избыток.
Ослабление поля описывают диэлектрической проницаемостью ε. В однородном случае напряжённость внутри диэлектрика равна E = E₀/ε, где E₀ — напряжённость поля без диэлектрика при тех же условиях. Поскольку обычно ε больше единицы, результат деления меньше исходного значения. Например, при ε = 4 поле становится в четыре раза слабее, чем было бы без диэлектрика.
| Тип диэлектрика | Молекулы без внешнего поля | Действие внешнего поля | Результат поляризации |
|---|---|---|---|
| Неполярный | Центры положительных и отрицательных зарядов совпадают; собственного дипольного момента нет. | Заряды внутри молекул смещаются в противоположные стороны. | Возникают индуцированные диполи; на поверхности появляются связанные заряды. |
| Полярный | Центры зарядов смещены; молекулы имеют собственные дипольные моменты, ориентированные беспорядочно. | Диполи стремятся повернуться вдоль внешнего поля. | Дипольные моменты частично упорядочиваются; на поверхности появляются связанные заряды. |
Сначала определите, есть ли у молекул собственный дипольный момент без поля. Затем проследите, что именно меняет внешнее поле: ориентацию готового диполя или положение зарядов в молекуле. В последнем столбце указано общее следствие обоих механизмов — поляризация вещества.
В однородное поле напряжённостью 600 В/м внесли диэлектрик с ε = 3. Найдите напряжённость поля внутри него. Здесь поле до внесения диэлектрика равно E₀ = 600 В/м, а требуется найти E. Поскольку диэлектрик ослабляет поле, ответ должен быть меньше 600 В/м.
Ответ: напряжённость поля внутри диэлектрика равна 200 В/м.
В диэлектрике напряжённость поля равна 200 В/м, а диэлектрическая проницаемость — 4. Найдите напряжённость поля до внесения диэлектрика. В условии дана величина E, а требуется E₀, поэтому формулу нужно преобразовать. Исходное поле должно оказаться больше напряжённости внутри диэлектрика.
Ответ: до внесения диэлектрика напряжённость поля была 800 В/м. Она в четыре раза больше, чем внутри диэлектрика, что согласуется с ε = 4.
Плоский конденсатор отключён от источника, а пространство между его пластинами полностью заполнили диэлектриком с ε = 5. До заполнения напряжённость поля была E₀. Нужно определить, как изменится поле после заполнения. Отключение от источника означает, что заряд пластин не меняется.
Ответ: напряжённость уменьшится до E₀/5. Причина — связанные заряды диэлектрика создают поле, частично компенсирующее поле пластин.
Ошибка — считать, что диэлектрик совсем не содержит зарядов. Так думают, потому что вещество электрически нейтрально; однако нейтральность означает лишь равенство суммарных положительного и отрицательного зарядов. При поляризации они разделяются и образуют связанные заряды. Проверьте себя: нейтральное тело может иметь участки с противоположными зарядами.
Ошибка — путать связанные заряды со свободными. Это происходит потому, что оба вида зарядов проявляются в электрических явлениях. Связанные заряды остаются привязанными к молекулам и не перемещаются по всему объёму вещества, а свободные могут перемещаться. Проверка простая: спросите, способны ли заряды пройти через весь образец.
Ошибка — направлять поле связанных зарядов так же, как внешнее. Участки с зарядами на диэлектрике могут сбить с толку, если не проследить действие поля на них. Внутри диэлектрика поле связанных зарядов направлено против внешнего, поэтому результирующее поле слабее. Проверьте направление стрелок: встречные поля должны частично компенсироваться.
Ошибка — использовать E = εE₀ вместо E = E₀/ε. Так можно ошибиться, если забыть, что ε характеризует ослабление поля, а не его усиление. При ε больше единицы деление на неё даёт значение меньше E₀. Проверяйте физический смысл результата: поле в диэлектрике не должно оказаться сильнее поля без него.
Для понимания поляризации нужны понятия электрического поля, напряжённости и электрического диполя. Напряжённость показывает действие поля в данной точке, а дипольная модель помогает представить смещение или ориентацию зарядов в молекуле. Связывая эти идеи, можно объяснить, почему нейтральное вещество реагирует на поле.
Поляризация важна при изучении конденсаторов с диэлектриком. Связанные заряды ослабляют поле между пластинами, а наличие диэлектрика меняет ёмкость конденсатора. Это позволяет понять, почему диэлектрик используют для изменения характеристик электрических устройств.
Почему нейтральный диэлектрик взаимодействует с электрическим полем?
Хотя полный заряд диэлектрика равен нулю, положительные и отрицательные заряды в его молекулах могут смещаться относительно друг друга. Поле действует на них с противоположно направленными силами и вызывает поляризацию. Возникшее распределение зарядов влияет на результирующее поле.
Чем связанные заряды отличаются от свободных?
Связанные заряды возникают при поляризации и остаются связанными с молекулами или атомами. Они не могут перемещаться по всему объёму вещества. Свободные носители, напротив, способны перемещаться на большие расстояния внутри вещества.
Почему в диэлектрике напряжённость поля уменьшается?
Поляризация создаёт связанные заряды, поле которых внутри диэлектрика направлено против внешнего поля. Оно частично компенсирует внешнее, поэтому результирующая напряжённость становится меньше. Для однородного диэлектрика E = E₀/ε.
Что показывает диэлектрическая проницаемость?
Диэлектрическая проницаемость ε показывает, во сколько раз напряжённость поля в диэлектрике меньше, чем в вакууме при тех же условиях. Это безразмерная величина. Для однородного случая связь выражается формулой E = E₀/ε.
Как поляризуются неполярные молекулы?
Без внешнего поля центры положительных и отрицательных зарядов такой молекулы совпадают, поэтому собственного дипольного момента у неё нет. Под действием поля заряды немного смещаются в противоположные стороны. Молекула приобретает дипольный момент, направленный вдоль поля.
§ 52. Диэлектрики в электростатическом поле
