§ 22-2. Дыэлектрыкі ў электрастатычным полі

Дыэлектрыкі. Тэрмін «дыэлектрык» увёў Фарадэй у 1838 г. для абазначэння рэчыва, у якое пранікае электрастатычнае поле («дыэлектрык» ад грэч. dia — праз, скрозь і англ. еlectric — электрычны). У дыэлектрыку ўсе электроны звязаны з ядрамі атамаў. Электрастатычнае поле не адрывае іх ад атамаў, а толькі злёгку ссоўвае адносна дадатна зараджаных ядраў. Дыэлектрык утрымлівае толькі звязаныя зарады, гэта значыць зарады, якія ўваходзяць у склад атамаў (малекул) дыэлектрыка і пазбаўлены магчымасці свабодна перамяшчацца пад дзеяннем электрастатычнага поля.

Высветлім, што адбываецца ў дыэлектрыку, змешчаным у электрастатычнае поле.

Правядзём дослед. Доўгую драўляную ненаэлектрызаваную лінейку размесцім на падстаўцы так, каб яна магла свабодна паварочвацца (мал. 118.7). Наэлектрызуем шкляную (ці эбанітавую) палачку і паднёсём яе да аднаго з канцоў лінейкі. Лінейка пачне паварочвацца. Такім чынам, незараджаны дыэлектрык, якім з'яўляецца драўляная лінейка, прыцягваецца да зараджанага цела. 

Падобныя паводзіны дыэлектрыка магчымыя толькі пры ўмове з'яўлення на яго канцах лішніх зарадаў, супрацьлеглых па знаку.

Палярызацыя дыэлектрыка. Які ж механізм пераразмеркавання зарадаў у дыэлектрыку? Дзеянне электрастатычнага поля з напружанасцю , у якое змешчаны дыэлектрык, зводзіцца да пераразмеркавання электронаў у аб'ёме кожнага атама дыэлектрыка. У выніку цэнтр мас электрычнага зараду электроннай абалонкі атама зрушваецца адносна цэнтра мас дадатнага зараду ядра атама. У цэлым нейтральны атам (малекула) ператвараецца ў электрычны дыполь (ды — два, поль — полюс) (мал. 118.8). Разгледжаная з'ява атрымала назву электроннай палярызацыі. Механізм электроннай палярызацыі ўніверсальны, бо праяўляецца ў атамах, малекулах або іонах любога дыэлектрыка.

Калі дыэлектрыкі складаюцца з малекул, якія з'яўляюцца электрычнымі дыполямі ва ўмовах адсутнасці знешняга поля, то іх называюць палярнымі (вада, аміяк, эфір, ацэтон і інш.). У палярных дыэлектрыкаў пры адсутнасці знешняга электрастатычнага поля малекулы-дыполі, ажыццяўляючы цеплавы рух, размяшчаюцца хаатычна (мал. 118.9, а). Рэзультуючае электрычнае поле, якое ствараецца малекуламі-дыполямі, практычна роўнае нулю.

Пад дзеяннем знешняга электрастатычнага поля малекулы-дыполі імкнуцца павярнуцца так, каб іх восі супалі з напрамкам напружанасці знешняга поля (мал. 118.9, б). Калі напрамак напружанасці поля перпендыкулярны паверхням, што абмяжоўваюць дыэлектрык, то адна з гэтых паверхняў аказваецца зараджанай адмоўна, а другая — дадатна. У непалярных дыэлектрыкаў (парафін, бензол, азот і інш.) малекулы са сферычна сіметрычным размеркаваннем зарадаў пры адсутнасці знешняга электрычнага поля не ствараюць і ўласнага поля (мал. 118.9, в). Пад уплывам электрастатычнага поля, як ужо было сказана, дадатныя і адмоўныя зарады ў межах малекулы некалькі зрушваюцца адзін адносна аднаго, утвараючы дыполь. Таму, як і ў выпадку з палярнымі дыэлектрыкамі, у непалярных дыэлектрыках на адной паверхні з'яўляецца дадатны палярызацыйны зарад, на другой — адмоўны (мал. 118.9, г).

У адрозненне ад свабодных зарадаў правадніка палярызацыйныя зарады ў дыэлектрыку не перамяшчаюцца на макраскапічныя адлегласці, таму іх і называюць звязанымі. Гэтыя зарады нельга аддзяліць адзін ад аднаго. Так, калі палярызаваны дыэлектрык разрэзаць папалам у знешнім электрычным полі, то на адным баку кожнай палавінкі будзе нескампенсаваны дадатны зарад, а на другім — адмоўны.

Электрычнае поле ўнутры дыэлектрыка. Палярызацыйныя зарады (мал. 118.9, б, г) ствараюць уласнае электрастатычнае поле, напружанасць  якога накіравана насустрач напружанасці  знешняга поля і аслабляе яго, але не кампенсуе цалкам. 

Згодна з прынцыпам суперпазіцыі модуль напружанасці E рэзультуючага электрастатычнага поля ўнутры дыэлектрыка . Такім чынам, дыэлектрык — адна з мадэлей, якія выкарыстоўваюцца ў электрастатыцы для апісання такога рэчыва, што ўнутры цел з гэтага рэчыва напружанасць электрастатычнага поля можа адрознівацца ад нуля.

Вы ўжо ведаеце, што характарыстыкай электрычных уласцівасцей дыэлектрыкаў з'яўляецца дыэлектрычная пранікальнасць рэчыва. З улікам формул (17.2) і (19.3) можна сцвярджаць, што:

З выразу (22.1.1) вынікае, што дыэлектрычная пранікальнасць рэчыва паказвае, у колькі разоў модуль напружанасці || электрычнага поля ўнутры аднароднага дыэлектрыка меншы за модуль напружанасці || поля ў вакууме.

Розныя дыэлектрыкі палярызуюцца знешнім полем па-рознаму і маюць розную дыэлектрычную пранікальнасць.

Цікава ведаць

Палярызацыю часціц у моцным электрастатычным полі выкарыстоўваюць у электрычных фільтрах для ачысткі дыму ад цвёрдых прадуктаў згарання паліва, якія забруджваюць тэрыторыю вакол цеплавых электрастанцый і буйных прадпрыемстваў (мал. 118.10). Для гэтага ў дымаходах устанаўліваюць праваднікі спецыяльнай формы, якім надаюць пэўны электрычны зарад.

Электрафільтры ўстанаўліваюць на хімічных заводах, у цэхах, якія вырабляюць цэмент, і на іншых аналагічных вытворчасцях. Палярызаваныя часціцы разнастайнага пылу прыцягваюцца да вертыкальных электродаў (мал. 118.11). Калі модуль сілы цяжару, якая дзейнічае на часціцы, затрыманыя фільтрам, дасягае пэўнага значэння, пыл асядае на дно фільтра. Для ачысткі фільтра пыл з яго перыядычна выдаляюць.

1. Якія зарады называюць звязанымі?

2. На якія два тыпы дзеляць дыэлектрыкі ў залежнасці ад прасторавага размеркавання зарадаў у іх малекулах?

3. Што называюць палярызацыяй дыэлектрыка?

4. Які механізм палярызацыі палярных і непалярных дыэлектрыкаў?

5. Ці існуе поле ўнутры дыэлектрыка, які знаходзіцца ў знешнім электрастатычным полі?

6. Што называюць дыэлектрычнай пранікальнасцю рэчыва?