Диэлектрики в электростатическом поле

Диэлектрики в электрическом поле

В отличие от проводников, в диэлектриках нет свободных зарядов. Все заряды являются связанными: электроны принадлежат своим атомам, а ионы твёрдых диэлектриков колеблются вблизи узлов кристаллической решётки.

Соответственно, при помещении диэлектрика в электрическое поле не возникает направленного движения зарядов. Поэтому для диэлектриков не проходят наши доказательства свойств проводников — ведь все эти рассуждения опирались на возможность появления тока. И действительно, ни одно из четырёх свойств проводников, сформулированных в предыдущей статье, не распространяется на диэлектрики.

1. Напряжённость электрического поля внутри диэлектрика может быть не равна нулю.

2. Объёмная плотность заряда в диэлектрике может быть отличной от нуля.

3. Линии напряжённости могут быть не перпендикулярны поверхности диэлектрика.

4. Различные точки диэлектрика могут иметь разный потенциал. Стало быть, говорить о «потенциале диэлектрика» не приходится.

Диэлектрическая проницаемость

Но тем не менее, одно важнейшее общее свойство у диэлектриков имеется. Напряжённость поля уменьшается внутри диэлектрика в некоторое число ε раз по сравнению с вакуумом. Величина ε даётся в таблицах и называется диэлектрической проницаемостью диэлектрика.

Давайте разберёмся, каковы причины ослабления поля в диэлектрике. Рассмотрим диэлектрик, помещённый во внешнее однородное (для простоты) поле E0. Опыт показывает, что на противоположных поверхностях диэлектрика появляются заряды разных знаков.

Рисунок 1. Ослабление поля внутри диэлектрика

Эти индуцированные заряды расположены так, что создаваемое ими поле Ei внутри диэлектрика направлено против внешнего поля E0 (рис. 1, слева). При этом Ei < E0, так что внешнее поле ослабляется лишь частично (а не гасится полностью, как внутри проводника). Результирующее поле внутри диэлектрика равно

Мы видим, что E < E0. Данный факт как раз и подчёркивается следующей формой записи:

Результирующее поле E направлено в ту же сторону, что и внешнее поле E0 (рис. 1, справа; искажение поля снаружи диэлектрика считаем пренебрежимо малым).

Хорошо, но откуда в диэлектрике берутся поверхностные индуцированные заряды? Это — явление поляризации, свойственное всем диэлектрикам. Механизмы поляризации могут быть различными. Мы рассмотрим два типа поляризации: ориентационную и электронную.