Диэлектрики в электрическом поле. Электрическая индукция

Диэлектрики – это вещества, в которых нет свободных зарядов. Они делятся на два класса:

1) полярные диэлектрики, в молекулах которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают, это молекулы с ионными связями. Под действием внешнего электрического поля эти молекулы–диполи разворачиваются так, что создается собственное поле диполей (индуцированное поле), направленное против внешнего поля. Суммарное поле внутри диэлектрика при этом слабее внешнего.

2) неполярные диэлектрики, в молекулах которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают, это молекулы с ковалентными связями. Под действием внешнего поля электронные оболочки молекул деформируются, так что молекула становится диполем, поле которого направлено против внешнего поля. Суммарное поле внутри диэлектрика при этом слабее внешнего. .

Рис. 3. Стопка из трех диэлектриков

Если собрать стопку и нескольких разных диэлектриков и поместить ее в однородное электрическое поле напряженностью , то внутри каждого диэлектрика будет поле со своей напряженностью (рис. 3.): , , .

Говорят, что напряженность результирующего поля испытывает разрывы на границах диэлектриков. При этом во всех частях стопки диэлектриков одинакова напряженность внешнего поля . умножим на электрическую постоянную и получим новую физическую величину – электрическая индукция .

В отличии от напряженности электрического поля, индукция электрического поля одинакова во всех частях неоднородной диэлектрической среды и удобнее для исследования полей в таких средах.

Теорема Остроградского–Гаусса полностью сохраняет свой смысл для неоднородной диэлектрической среды, если сформулировать ее для потока индукции электрического поля: – поток вектора индукции электрического поля через замкнутую поверхность равен сумме зарядов сосредоточенных внутри поверхности.

Для количественного описания поляризации диэлектрика используют векторную величину – поляризованность – это дипольный момент единицы объема диэлектрика: , где – диэлектрическая восприимчивость вещества. При поляризации диэлектрика внутри конденсатора возникает нескомпенсированный заряд с поверхностной плотностью . При этом возникает поле двух заряженных плоскостей диэлектрика с напряженностью: .

Суммарное поле: .

Определим поверхностную плотность индуцированного заряда. Полный дипольный момент пластинки диэлектрика равен или, равен, по определению, произведению связанного заряда каждой грани на расстояние между ними , сравнивая эти выражения, получаем , т.е. поверхностная плотность связанных зарядов равна поляризованности диэлектрика.

В настоящее время есть все основания утверждать, что без электрических полей Земли было бы невозможно возникновение жизни на Земле. Частые грозовые разряды в атмосфере примитивной Земли способствовали созданию сложных молекул, а постоянно действующее электрическое поле планеты сыграло важную роль в создании ДНК и биологических мембран.