Диэлектрики в электростатическом поле. Поляризация диэлектриков

Диэлектрики – это вещества, в которых нет свободных зарядов, способных перемещаться под действием сил электрического поля. У изолятора или диэлектрика электрические заряды, а точнее, электрически заряженные частицы – электроны и ядра в нейтральных атомах связаны друг с другом; они не могут, подобно свободным зарядам проводника, перемещаться под действием электрического поля по всему объему тела. Электрическое поле может существовать внутри диэлектрика. При этом диэлектрик оказывает на поле определенное влияние. Например, при замыкании стеклянной палочкой заряженного и незаряженного электроскопа заряды по изолятору стеклянной палочки не протекают. Смещение электрических зарядов вещества под действием электрического поля называется поляризацией. Способность к поляризации является основным свойством диэлектриков. Поляризуемость диэлектрика включает составляющие – электронную, ионную и ориентационную (дипольную). Внутри диэлектрика электрические заряды диполей компенсируют друг друга. Но на внешних поверхностях диэлектрика, прилегающих к электродам, появляются заряды противоположного знака (поверхностно связанные заряды). Существующие диэлектрики можно разбить на два вида: полярные, состоящие из таких молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают (спирты, вода); неполярные, состоящие из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают (инертные газы, кислород, водород, бензол, полиэтилен). Следовательно, молекулы у этих диэлектриков разные. Полярный диэлектрик состоит из молекул, которые можно рассматривать как электрические диполи. Тепловое движение приводит к беспорядочной ориентации диполей, поэтому на поверхности диэлектрика, а также и в любом его объеме, содержащем большое число молекул, электрический заряд в среднем равен нулю. Напряженность электрического поля в диэлектрике в среднем также равна нулю. Поместим диэлектрик между двумя параллельными металлическими пластинами, несущими заряды противоположного знака. Если размеры пластин много больше расстояния между ними, то поле между пластинами однородно. Со стороны этого поля на каждый электрический диполь будут действовать две силы, одинаковые по модулю, но противоположные по направлению. Они создадут момент силы, стремящийся повернуть диполь так, чтобы его ось была направлена по силовым линиям поля. При этом положительные заряды смещаются в направлении электрического поля, а отрицательные – в противоположную сторону. Смещение положительных и отрицательных связанных зарядов диэлектрика в противоположные стороны называют поляризацией. Однако тепловое движение препятствует созданию упорядоченной ориентации всех диполей; только при температуре равной абсолютному нулю, все диполи выстроились бы вдоль силовых линий. Таким образом, под влиянием поля происходит лишь частичная ориентация диполей. Это означает, что в среднем число диполей, ориентированных вдоль поля, больше, чем число диполей, ориентированных против поля. В результате на поверхности диэлектрика возникает связанный заряд. Внутри диэлектрика положительные и отрицательные заряды диполей компенсируют друг друга, и средний связанный электрический заряд по- прежнему равен нулю. Неполярный диэлектрик в электрическом поле также поляризуется. Под действием поля положительные и отрицательные заряды молекулы смещаются в противоположные стороны и центры распределения положительного и отрицательного зарядов перестают совпадать как у полярной молекулы. Такие деформированные молекулы можно рассматривать как электрические диполи, оси которых направлены вдоль поля. На поверхностях диэлектрика, примыкающих к заряженным пластинам, появляются связанные заряды, как и при поляризации полярного диэлектрика.