ГЛАВА 14. ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Проводники и диэлектрики

По электрическим свойствам твердые тела можно разделить на проводники и диэлектрики. Основным отличием диэлектриков от проводников является отсутствие в диэлектриках свободных зарядов, способных перемещаться в электрическом поле. Проводники содержат свободные заряды, носителями которых являются электроны, не связанные с атомами.

Каждое вещество может проявлять свойства диэлектрика и проводника, в зависимости от внешних условий и времени наблюдения. Так, заряженный шар из диэлектрика, например из эбонита, подвешенный на шелковой нити, может долго сохранять свой заряд, но через длительное время заряд все же стечет с поверхности шара.

Если заряженное тело находится вблизи другого, первоначально незаряженного тела, то в проводниках и диэлектриках происходит электростатическая индукция, и на соседнем теле появятся заряды противоположного знака. В проводнике заряд распределится по поверхности, внутри проводника заряд будет равен 0, поэтому напряженность электрического поля E = 0. В диэлектрике связанные заряды распределяются по всему объему.

Если проводник поместить во внешнее электростатическое поле, то на концах проводника появятся заряды разного знака. Если разрезать проводник на две части, то на каждой останется заряд одного знака.

В диэлектрике, помещенном в электростатическое поле, также появятся на концах разноименные заряды, но эти заряды нельзя отделить. В разрезанном диэлектрике суммарный заряд каждой его части будет равен нулю.

Типы диэлектриков

Можно выделить следующие типы диэлектриков, различающихся по своему строению:

1. Неполярные диэлектрики - водород, азот, парафин, бензол и др.

Молекулы неполярного диэлектрика не обладают дипольным моментом, т.к. центры положительного и отрицательного зарядов совпадают (рис. 14.1).

Потенциал j и электрическое поле Eвне таких молекул равны нулю. Во внешнем электрическом поле происходит смещение центров положительного и отрицательного зарядов, такая поляризация называется электронной. Молекула приобретает деформационный дипольный момент P_и, который обращается в нуль при снятии внешнего поля, поэтому такие диполи называются упругими.

2. Полярные диэлектрики - вода, соляная кислота и др.

Молекулы полярного диэлектрика имеют естественный дипольный момент, вследствие несимметричности строения (рис. 14.2). Молекула воды имеет V - образную форму, угол H-O-H составляет примерно 105° (рис. 14.3). Из-за наличия дипольного момента вода является хорошим растворителем. Средний дипольный момент диэлектрика равен нулю вследствие беспорядочной ориентации. Дипольные электрические моменты ориентируются вдоль силовых линий электрического поля, поэтому такая поляризация называется ориентационной.

Рис. 14.1. Рис. 14.2.

Рис. 14.3.

3. Кристаллические диэлектрики - поваренная соль, хлорид калия и др. Кристаллы диэлектрика состоят из положительных и отрицательных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки. Суммарный момент диэлектрика P = 0. В электрическом поле происходит смещение положительных ионов вдоль поля, а отрицательных в противоположном направлении, поэтому появляется деформационный дипольный момент, направленный вдоль внешнего электрического поля (рис. 14.4). Такая поляризация называется ионной.

Рис. 14.4.