Курс физики (стр. 46 из 157)
График зависимости ϕ от r приведен на рис. 134.
Рис. 134
3. Поле объемно заряженного шара радиуса R с общим зарядом Q вне шара (r > R) вычисляется по формуле (82.3), поэтому разность потенциалов между двумя точками, лежащими на расстояниях r1 и г2 от центра шара (r1 > R, г2 > R, г2 > г1), определяется формулой (86.2). В любой точке, лежащей внутри шара на расстоянии r' от его центра (r′ < R), напряженность определяется выражением (82.4):
Следовательно, разность потенциалов между двумя точками, лежащими
на расстояниях r′1 и r′2 от центра шара (r′1 < R, r′2 < R, r′2 > r′1) равна
5. Поле равномерно заряженного бесконечного цилиндра радиуса R, заряженного с линейной плотностью τ, вне цилиндра (r > R) определяется формулой (82.5): Е= . Следовательно, разность потенциалов между двумя точками, лежащими на расстояниях r1 и г2 от оси заряженного цилиндра (r1 >R. г2 > R, г2 > г1), равна
(86.3)§ 87. ТИПЫ ДИЭЛЕКТРИКОВ. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Диэлектрик (как и всякое вещество) состоит из атомов и молекул. Так как положительный заряд всех ядер молекулы равен суммарному заряду электронов, то молекула в целом электрически нейтральна. Если заменить положительные заряды ядер молекул суммарным зарядом + Q, находящимся в центре «тяжести» положительных зарядов, а заряд всех электронов — суммарным отрицательным зарядом —Q, находящимся в центре «тяжести» отрицательных зарядов, то молекулу можно рассматривать как электрический диполь с электрическим моментом, определяемым формулой (80.3). Первую группу диэлектриков (N2, Н2, О2, СО2, СН4, ...) составляют вещества, молекулы которых имеют симметричное строение, т. е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают и, следовательно, дипольный момент молекулы р равен нулю. Молекулы таких диэлектриков называются неполярными. Под действием внешнего электрического поля заряды неполярных молекул смещаются в противоположные стороны (положительные по полю, отрицательные против поля) и молекула приобретает дипольный момент.
Вторую группу диэлектриков (Н2О, NH3, SO2, CO,...) составляют вещества, молекулы которых имеют асимметричное строение, т. е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Таким образом, эти молекулы в отсутствие внешнего электрического поля обладают дипольным моментом. Молекулы таких диэлектриков называются полярными. При отсутствии внешнего поля, однако, дипольные моменты полярных молекул вследствие теплового движения ориентированы в пространстве хаотично и их результирующий момент равен нулю. Если такой диэлектрик поместить во внешнее поле, то силы этого поля будут стремиться повернуть диполи вдоль поля и возникает отличный от нуля результирующий момент.
Третью группу диэлектриков (NaCl, KC1, КВг, ...) составляют вещества, молекулы которых имеют ионное строение. Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков. В этих кристаллах нельзя выделить отдельные молекулы, а рассматривать их можно как систему двух вдвинутых одна в другую ионных подрешеток. При наложении на ионный кристалл электрического поля происходит некоторая деформация кристаллической решетки или относительное смещение подрешеток, приводящее к возникновению дипольных моментов.
Таким образом, внесение всех трех групп диэлектриков во внешнее электрическое поле приводит к возникновению отличного от нуля результирующего электрического момента диэлектрика, или, иными словами, к поляризации диэлектрика. Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появления под воздействием внешнего электрического поля ориентированных по полю диполей.
Соответственно трем группам диэлектриков различают три вида поляризации:
электронная, или деформационная, поляризация диэлектрика с неполяр-
ными молекулами, заключающаяся в возникновении у атомов индуцированного дипольного момента за счет деформации электронных орбит; ориентационная, или дипольная, поляризация диэлектрика с полярными молекулами, заключающаяся в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул по полю. Естественно, что тепловое движение препятствует полной ориентации молекул, но в результате совместного действия обоих факторов (электрическое поле и тепловое движение) возникает преимущественная ориентация дипольных моментов молекул по полю. Эта ориентация тем сильнее, чем больше напряженность электрического поля и ниже температура; ионная поляризация диэлектриков с ионными кристаллическими решет-
ками, заключающаяся в смещении подрешетки положительных ионов вдоль поля, а отрицательных — против поля, приводящем к возникновению дипольных моментов.
§ 88. ПОЛЯРИЗОВАННОСТЬ. НАПРЯЖЕННОСТЬ ПОЛЯ В ДИЭЛЕКТРИКЕ
При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле он поляризуется, т. е. приобретает отличный от нуля дипольный момент pv = ∑ pi , где рi,
i
— дипольный момент одной молекулы. Для количественного описания поляризации диэлектрика пользуются векторной величиной — поляризованностью, определяемой как дипольный момент единицы объема диэлектрика:
(88.1)Из опыта следует, что для большого класса диэлектриков (за исключением сегнетоэлектриков, см. § 91) поляризованность Р линейно зависит от напряженности поля Е. Если диэлектрик изотропный и Е не слишком велико, то
(88.2)где æ — диэлектрическая восприимчивость вещества, характеризующая свойства диэлектрика; æ - величина безразмерная; притом всегда æ > 0 и для большинства диэлектриков (твердых и жидких) составляет несколько единиц (хотя, например, для спирта æ ≈ 25, для воды æ = 80).
Для установления количественных закономерностей поля в диэлектрике внесем в однородное внешнее электрическое поле Е0 (создается двумя бесконечными параллельными разноименно заряженными плоскостями) пластинку из однородного диэлектрика, расположив ее так, как показано на рис. 135. Под действием поля диэлектрик поляризуется, т. е. происходит смещение зарядов: положительные смещаются по полю, отрицательные — против поля. В результате этого на правой грани диэлектрика, обращенного к отрицательной плоскости, будет избыток положительного заряда с поверхностной плотностью +σ′, на левой — отрицательного заряда с поверхностной плотностью - σ'. Эти нескомпенсированные заряды, появляющиеся в результате поляризации диэлектрика, называются связанными. Так как их поверхностная плотность σ′ меньше плотности σ свободных зарядов плоскостей, то не вое поле Е компенсируется полем зарядов диэлектрика: часть линий напряженности пройдет сквозь диэлектрик, другая же часть — обрывается на связанных зарядах. Следовательно, поляризация диэлектрика вызывает уменьшение в нем поля по сравнению с первоначальным внешним полем. Вне диэлектрика Е = Ео.
Рис. 135
Таким образом, появление связанных зарядов приводит к возникновению дополнительного электрического поля Е' (поля, создаваемого связанными зарядами), которое направлено против внешнего поля Е0 (поля, создаваемого свободными зарядами) и ослабляет его. Результирующее поле внутри диэлектрика
Поле Е' = σ'/ε0 (поле, созданное двумя бесконечными заряженными плоскостями; см. формулу (82.2)), поэтому
(88.3)Определим поверхностную плотность связанных зарядов σ'. По (88.1), полный дипольный момент пластинки диэлектрика pv = PV = PSd, где S — площадь грани пластинки, d — ее толщина. С другой стороны, полный дипольный момент, согласно (80.3), равен произведению связанного заряда каждой грани Q' = σ'S на расстояние d между ними, т. е. pv = σ'Sd. Таким образом, PSd = σ'Sd, или
(88.4)т. е. поверхностная плотность связанных зарядов σ' равна поляризованности Р. Подставив в (88.3) выражения (88.4) и (88.2), получим
откуда напряженность результирующего поля внутри диэлектрика равна
(88.5)Безразмерная величина
(88.6)называется диэлектрической проницаемостью среды. Сравнивая (88.5)
и (88.6), видим, что ε показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком, и характеризует количественно Свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.