Поляризация диэлектриков
При внесении вещества в электрическое поле происходят изменения, как в веществе, так и в электрическом поле. Простые опыты показывают, что на поверхности диэлектрика, внесенного в электрическое поле, возникают положительные и отрицательные заряды, которые не могут быть разделены никакими способами. В связи с этим такие заряды называются связанными, а диэлектрик – поляризованным. Для объяснения явления поляризации диэлектриков обратимся к общепринятой сейчас модели строения диэлектриков.
Диэлектрики, молекулы которых представляют собой электрические диполи, называют полярными диэлектриками. Типичными представителями таких веществ являются вода, аммиак, эфир, ацетон. Наряду с полярными диэлектриками существуют неполярные, молекулы которых не являются диполями, например, Н2 , N2 , углеводороды и т.д.
В отсутствие электрического поля дипольные моменты молекул либо равны нулю, либо ориентированы хаотически. В обоих случаях суммарный дипольный момент диэлектрика равен нулю. В неполярном диэлектрике, помещенном в электрическое поле, у молекулы возникают дипольные моменты, пропорциональные напряженности поля 
, где b - поляризуемость молекул, зависящая от строения и сил межатомных связей, которые всегда ориентированы вдоль линий поля, несмотря на тепловое движение.
В результате поляризации молекул на поверхности диэлектрика появляются связанные заряды (рисунок 22).
 |
Рисунок 22 Рисунок 23 Рисунок 24
В полярных диэлектриках под действием электрического поля происходит ориентация дипольных моментов вдоль направления поля, так как на диполь, электрический момент которого равен 
, в однородном электрическом поле действует пара сил (рисунок 23) 
. Вращающий момент этой пары сил равен 
, или в векторном виде 
.
Под действием вращающего момента диполь стремится к ориентации вдоль силовых линий. Ориентирующему действию внешнего поля препятствует тепловое движение молекул, стремящееся разбросать их дипольные моменты по всем направлениям. В результате действия двух факторов: электрического поля и теплового движения в диэлектрике устанавливается некоторая преимущественная ориентация дипольных моментов молекул в направлении поля, что и обусловливает поляризацию диэлектрика (рисунок24).
Мерой поляризации диэлектрика является вектор поляризации, равный векторной сумме дипольных моментов молекул единицы объема вещества
или другими словами, если дипольный момент молекул диэлектрика в объеме V равен 
, то вектор поляризации численно равен
. (19)
Опытным путем установлено, что вектор поляризации диэлектрика пропорционален напряженности результирующего поля
(20)
где c -диэлектрическая восприимчивость вещества.
Найдем связь между вектором поляризации 
и наблюдаемой на опыте поверхностной плотностью связанных зарядов s. Для этого выберем диэлектрик в форме параллелепипеда и поместим его в электрическое поле (рисунок 25).
Дипольный момент этого диэлектрика равен 
. (21)
 |
Рисунок 25
С другой стороны, согласно определению (21), дипольный момент равен произведению вектора поляризации на объем параллелепипеда
. (22)
Приравнивая правые части выражений (21) и (22), получим
; 
; 
. (23)
Таким образом, нормальная составляющая вектора поляризации (проекция на нормаль к основанию параллелепипеда) численно равна поверхностной плотности связанных зарядов, то есть поверхностная плотность связанных зарядов может служить мерой поляризации диэлектрика.
Для характеристики электрического поля в среде вводится вектор электрического смещения или электрической индукции
,
где e0= 8,85.10-12 Ф/м – электрическая постоянная,
e - диэлектрическая проницаемость среды.
Таким образом, вектор электрического смещения 
пропорционален вектору напряженности 
.
Для поля точечного заряда 
.
Теорема Гаусса для вектора электрического смещения имеет вид
Поток вектора электрического смещения через замкнутую поверхность, охватывающую заряды, равен алгебраической сумме зарядов внутри поверхности.
Относительная диэлектрическая проницаемость e является важной характеристикой диэлектрика. Выясним физический смысл e. Предположим, что поле в вакууме создается точечным зарядом Q, тогда в точке, удаленной от заряда на расстояние r напряженность
. (24)
Если же заряд находится в среде с относительной диэлектрической проницаемостью e, то в этой точке напряженность
. 
, (25)
то есть относительная диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз напряженность поля в вакууме, созданного свободными зарядами, больше напряженности поля, созданного этими же зарядами в среде.