Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Вещество, внесенное в электронное поле, может значительно поменять его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие наружного поля частички распределяются снутри вещества так, что создаваемое ими электронное поле в среднем по объемам, включающим огромное число атомов либо молекул, равно нулю. При наличии наружного поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе появляется собственное электронное поле. Полное электронное поле  Проводники и диэлектрики в электронном поле
складывается в согласовании с принципом суперпозиции из наружного поля  Проводники и диэлектрики в электронном поле
и внутреннего поля  Проводники и диэлектрики в электронном поле
создаваемого заряженными частичками вещества. Вещество разнообразно по своим электронным свойствам. Более широкие классы вещества составляют проводники и диэлектрики. Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в термическом движении и могут передвигаться по всему объему проводника. Обычные проводники – металлы. В отсутствие наружного поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электронное поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в итоге чего на поверхности проводника появляются нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды (рис. 4.5.1). Этот процесс именуют электростатической индукцией, а показавшиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами. Индукционные заряды делают свое собственное поле  Проводники и диэлектрики в электронном поле
которое компенсирует наружное поле  Проводники и диэлектрики в электронном поле
во всем объеме проводника:  Проводники и диэлектрики в электронном поле
(снутри проводника). Полное электростатическое поле снутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках схожи и равны потенциалу на поверхности проводника.

Электростатическая индукция. 1
Набросок 4.5.1. Электростатическая индукция.

Все внутренние области проводника, внесенного в электронное поле, остаются электронейтральными. Если удалить некий объем, выделенный снутри проводника, и образовать пустую полость, то электронное поле снутри полости будет равно нулю. На этом базирована электростатическая защита – чувствительные к электронному полю приборы для исключения воздействия поля помещают в железные ящики (рис. 4.5.2).

Электростатическая защита. 2
Набросок 4.5.2. Электростатическая защита. Поле в железной полости равно нулю.

Потому что поверхность проводника является эквипотенциальной, силовые полосы у поверхности должны быть перпендикулярны к ней. В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электронных зарядов. Они состоят из нейтральных атомов либо молекул. Заряженные частички в нейтральном атоме связаны вместе и не могут передвигаться под действием электронного поля по всему объему диэлектрика. При внесении диэлектрика во наружное электронное поле  Проводники и диэлектрики в электронном поле
в нем появляется некое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов либо молекул. В итоге такового перераспределения на поверхности диэлектрического эталона возникают лишниие нескомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частички, образующие макроскопические связанные заряды, как и раньше входят в состав собственных атомов. Связанные заряды делают электронное поле  Проводники и диэлектрики в электронном поле
которое снутри диэлектрика ориентировано обратно вектору напряженности  Проводники и диэлектрики в электронном поле
наружного поля. Этот процесс именуется поляризацией диэлектрика. В итоге полное электронное поле  Проводники и диэлектрики в электронном поле
снутри диэлектрика оказывается по модулю меньше наружного поля  Проводники и диэлектрики в электронном поле
Физическая величина, равная отношению модуля напряженности  Проводники и диэлектрики в электронном поле
наружного электронного поля в вакууме к модулю напряженности  Проводники и диэлектрики в электронном поле
полного поля в однородном диэлектрике, именуется диэлектрической проницаемостью вещества.

 Проводники и диэлектрики в электронном поле

  Существует несколько устройств поляризации диэлектриков. Основными из их являются ориентационная и электрическая поляризации. Эти механизмы появляются приемущественно при поляризации газообразных и водянистых диэлектриков.

Ориентационная либо дипольная поляризация появляется в случае полярных диэлектриков, состоящих из молекул, у каких центры рассредотачивания положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы представляют собой микроскопичные электронные диполи – нейтральную совокупа 2-ух зарядов, равных по модулю и обратных по знаку, расположенных на неком расстоянии друг от друга. Дипольным моментом обладает, к примеру, молекула воды, также молекулы ряда других диэлектриков (H2S, NO2 и т. д.). При отсутствии наружного электронного поля оси молекулярных диполей нацелены беспорядочно из-за термического движения, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электронный заряд в среднем равен нулю. При внесении диэлектрика во наружное поле  Проводники и диэлектрики в электронном поле
появляется частичная ориентация молекулярных диполей. В итоге на поверхности диэлектрика возникают нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле  Проводники и диэлектрики в электронном поле
направленное навстречу наружному полю  Проводники и диэлектрики в электронном поле
(рис. 4.5.3).

Ориентационный механизм 3
Набросок 4.5.3. Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика.

Поляризация полярных диэлектриков очень находится в зависимости от температуры, потому что термическое движение молекул играет роль дезориентирующего фактора.

Электрический либо гибкий механизм проявляется при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не владеют в отсутствие наружного поля дипольным моментом. Под действием электронного поля молекулы неполярных диэлектриков деформируются – положительные заряды смещаются в направлении вектора  Проводники и диэлектрики в электронном поле
а отрицательные – в обратном направлении. В итоге любая молекула преобразуется в электронный диполь, ось которого ориентирована повдоль наружного поля. На поверхности диэлектрика возникают нескомпенсированные связанные заряды, создающие свое поле  Проводники и диэлектрики в электронном поле
направленное навстречу наружному полю  Проводники и диэлектрики в электронном поле
Так происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 4.5.4). Деформация неполярных молекул под действием наружного электронного поля не находится в зависимости от их термического движения, потому поляризация неполярного диэлектрика не находится в зависимости от температуры. Примером неполярной молекулы может служить молекула метана CH4. У этой молекулы четырехкратно ионизированный ион углерода C4– размещается в центре правильной пирамиды, в верхушках которой находятся ионы водорода H+. При наложении наружного электронного поля ион углерода сдвигается из центра пирамиды, и у молекулы появляется дипольный момент, пропорциональный наружному полю.

Поляризация неполярного диэлектрика. 4
Набросок 4.5.4. Поляризация неполярного диэлектрика.

Электронное поле  Проводники и диэлектрики в электронном поле
связанных зарядов, возникающее при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, меняется по модулю прямо пропорционально модулю наружного поля  Проводники и диэлектрики в электронном поле
В очень сильных электронных полях эта закономерность может нарушаться, тогда и появляются разные нелинейные эффекты. В случае полярных диэлектриков в сильных полях может наблюдаться эффект насыщения, когда все молекулярные диполи выстраиваются повдоль силовых линий. В случае неполярных диэлектриков сильное наружное поле, сопоставимое по модулю с внутриатомным полем, может значительно деформировать атомы либо молекулы вещества и поменять их электронные характеристики. Но, эти явления фактически никогда не наблюдаются, потому что для этого необходимы поля с напряженностью (1010–1012) В/м. Меж тем, еще ранее наступает электронный пробой диэлектрика.

У многих неполярных молекул при поляризации деформируются электрические оболочки, потому этот механизм получил заглавие электрической поляризации. Этот механизм является универсальным, так как деформация электрических оболочек под действием наружного поля происходит в атомах, молекулах и ионах хоть какого диэлектрика. В случае жестких кристаллических диэлектриков наблюдается так именуемая ионная поляризация, при которой ионы различных символов, составляющие кристаллическую решетку, при наложении наружного поля смещаются в обратных направлениях, вследствие чего на гранях кристалла возникают связанные (нескомпенсированные) заряды.

Примером такового механизма может служить поляризация кристалла NaCl, в каком ионы Na+ и Cl– составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. В отсутствие наружного поля любая простая ячейка кристалла NaCl (см. § 3.6 ) электронейтральна и не обладает дипольным моментом. Во наружном электронном поле обе подрешетки смещаются в обратных направлениях, другими словами кристалл поляризуется. При поляризации неоднородного диэлектрика связанные заряды могут появляться не только лишь на поверхностях, да и в объеме диэлектрика. В данном случае электронное поле  Проводники и диэлектрики в электронном поле
связанных зарядов и полное поле  Проводники и диэлектрики в электронном поле
могут иметь сложную структуру, зависящую от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электронное поле  Проводники и диэлектрики в электронном поле
в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сопоставлению с наружным полем  Проводники и диэлектрики в электронном поле
строго справедливо исключительно в случае однородного диэлектрика, заполняющего все место, в каком сотворено наружное поле. А именно: Если в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд Q, то напряженность поля  Проводники и диэлектрики в электронном поле
создаваемого этим зарядом в некой точке, и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме:

 Проводники и диэлектрики в электронном поле