§ 22-2. Диэлектрики в электростатическом поле

Диэлектрики. Термин «диэлектрик» ввёл Фарадей в 1838 г. для обозначения вещества, в которое проникает электростатическое поле («диэлектрик» от греч. dia — через, сквозь и англ. еlectric — электрический). В диэлектрике все электроны связаны с ядрами атомов. Электростатическое поле не отрывает их от атомов, а лишь слегка смещает относительно положительно заряженных ядер. Диэлектрик содержит только связанные заряды, т. е. заряды, входящие в состав атомов (молекул) диэлектрика и лишённые возможности свободно перемещаться под действием электростатического поля.

Выясним, что происходит в диэлектрике, помещённом в электростатическое поле.

Проведём опыт. Длинную деревянную ненаэлектризованную линейку установим на подставке так, чтобы она могла свободно поворачиваться (рис. 118.7). Наэлектризуем стеклянную (или эбонитовую) палочку и поднесём её к одному из концов линейки. Линейка начнёт поворачиваться. Следовательно, незаряженный диэлектрик, каким является деревянная линейка, притягивается к заряженному телу.

Подобное поведение диэлектрика возможно только при условии появления на его концах избыточных зарядов, противоположных по знаку.

Поляризация диэлектрика. Каков же механизм перераспределения зарядов в диэлектрике? Действие электростатического поля напряжённостью , в которое помещён диэлектрик, сводится к смещению электронов в объёме каждого атома диэлектрика. В результате центр масс электрического заряда электронной оболочки атома смещается относительно центра масс положительного заряда ядра атома. В целом нейтральный атом (молекула) превращается в электрический диполь (ди — два, поль — полюс) (рис. 118.8). Рассмотренное явление получило название электронной поляризации. Механизм электронной поляризации универсален, поскольку проявляется в атомах, молекулах или ионах любого диэлектрика.

Если диэлектрики состоят из молекул, являющихся электрическими диполями в отсутствие внешнего поля, то их называют полярными (вода, аммиак, эфир, ацетон и др.). У полярных диэлектриков в отсутствие внешнего электростатического поля молекулы-диполи, совершая тепловое движение, располагаются хаотически (рис. 118.9, а). Результирующее электрическое поле, создаваемое молекулами-диполями, практически равно нулю.

Под действием внешнего электростатического поля молекулы-диполи стремятся повернуться так, чтобы их оси совпали с направлением напряжённости внешнего поля (рис. 118.9, б). Если направление напряжённости поля перпендикулярно поверхностям, ограничивающим диэлектрик, то одна из этих поверхностей оказывается заряженной отрицательно, а другая — положительно. У неполярных диэлектриков (парафин, бензол, азот и др.) молекулы со сферически симметричным распределением зарядов в отсутствие внешнего электрического поля не создают и собственного поля (рис. 118.9, в). Под влиянием электростатического поля, как уже было рассмотрено, положительные и отрицательные заряды в пределах молекулы несколько смещаются один относительно другого, образуя диполь. Поэтому, как и в случае с полярными диэлектриками, в неполярных диэлектриках на одной поверхности появляется положительный поляризационный заряд, на другой — отрицательный (рис. 118.9, г).

В отличие от свободных зарядов проводника поляризационные заряды в диэлектрике не перемещаются на макроскопические расстояния, поэтому их и называют связанными. Эти заряды нельзя отделить один от другого. Так, если поляризованный диэлектрик разрезать пополам во внешнем электрическом поле, то на одной стороне каждой половинки будет нескомпенсированный положительный заряд, а на другой — отрицательный.

Электрическое поле внутри диэлектрика. Поляризационные заряды (см. рис. 118.9, б, г) создают собственное электростатическое поле, напряжённость которого направлена навстречу напряжённости внешнего поля и ослабляет его, но не компенсирует полностью.

Согласно принципу суперпозиции модуль напряжённости E результирующего электростатического поля внутри диэлектрика . Таким образом, диэлектрик — одна из моделей, используемых в электростатике, описывающая такое вещество, что внутри тел, состоящих из этого вещества, напряжённость электростатического поля может быть отлична от нуля.

Вы уже знаете, что характеристикой электрических свойств диэлектриков является диэлектрическая проницаемость вещества. С учётом формул (17.2) и (19.3) можно утверждать, что:

Из выражения (22.1.1) следует, что диэлектрическая проницаемость вещества показывает, во сколько раз модуль напряжённости электрического поля внутри однородного диэлектрика меньше модуля напряжённости поля в вакууме.

Различные диэлектрики поляризуются внешним полем по-разному и имеют разную диэлектрическую проницаемость.

Интересно знать

Поляризацию частиц в сильном электростатическом поле используют в электрических фильтрах для очистки дыма от твёрдых продуктов сгорания топлива, загрязняющих территорию вокруг тепловых электростанций и крупных предприятий (рис. 118.10). Для этого в дымоходах устанавливают проводники специальной формы, которым сообщают определённый электрический заряд.

Электрофильтры устанавливают на химических заводах, в цехах, производящих цемент, и других аналогичных производствах. Поляризованные частицы всевозможной пыли притягиваются к вертикальным электродам (рис. 118.11). Когда модуль силы тяжести, действующей на частицы, задерживаемые фильтром, достигает определённого значения, пыль оседает на дно фильтра. Для очистки фильтра пыль из него периодически удаляют.

1. Какие заряды называют связанными?

2. На какие два типа делят диэлектрики в зависимости от пространственного распределения зарядов в их молекулах?

3. Что называют поляризацией диэлектрика?

4. Каков механизм поляризации полярных и неполярных диэлектриков?

5. Существует ли поле внутри диэлектрика, находящегося во внешнем электростатическом поле?

6. Что называют диэлектрической проницаемостью вещества?