Поляризация диэлектриков. Вектор поляризации. Дипольный электрический момент

Поляризация представляет собой обратимое смещение электрически заряженных частиц, входящих в состав диэлектрика, при приложении к нему электрического поля.

Поляризация диэлектрика - состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического момента у любого элемента его объема. Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, существующую в отсутствие поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика появляется под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры. Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на поверхности диэлектрика связанных электрических зарядов с поверхностной плотностью δ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле с напряженностью Е1, направленное против внешнего поля с напряженностью Е0. Результирующая напряженность поля Е внутри диэлектрика Е=Е0-Е1.

Для характеристики диэлектрика вводится величина, равная отношению результирующего дипольного момента к объему диэлектрика V, которая называется поляризованностью (вектор поляризации)

В неполярных диэлектриках

где n₀ – объемная концентрация молекул в диэлектрике.

Дипольный момент — физическая величина, характеризующая электрические свойства системы заряженных частиц. Для системы из N частиц дипольный момент равен

где — заряд частицы с номером i, а — её радиус-вектор; — число положительно/отрицательно заряженных частиц, N = + , — их заряды.

Дипольный момент нейтральной системы зарядов не зависит от начала координат, а определяется относительным расположением (и величинами) зарядов в системе.

В случае диполя (две частицы с разноимёнными зарядами) электрический дипольный момент равен произведению положительного заряда диполя на расстояние между зарядами и направлен от отрицательного заряда к положительному.

Магнитный дипольный момент контура с током пропорционален произведению силы тока на площадь контура и направлен перпендикулярно плоскости контура так, что с его конца ток виден текущим против часовой стрелки.

Дипольный момент определяет электрическое (магнитное) поле диполя на большом расстоянии от него, а также воздействие на диполь внешнего электрического (магнитного) поля.

Дипольный момент молекул измеряется в Дебаях.

11. Поток вектора электрического смещения

В неоднородной диэлектрической среде ε имеет различные значения, изменяясь на границах диэлектриков скачкообразно (претерпевая разрыв). Это затрудняет применение формул, описывающих взаимодействие зарядов в вакууме. Что касается теоремы Гаусса, то в этих условиях она вообще теряет смысл. В самом деле, благодаря различной поляризуемости разнородных диэлектриков напряженности поля в них будут различными. Поэтому различно и число силовых линий в каждом диэлектрике.

Часть линий, исходящих из зарядов, окруженных замкнутой поверхностью, будет заканчиваться на границе раздела диэлектриков и не пронижет данную поверхность. Это затруднение можно устранить, введя в рассмотрение новую физическую характеристику поля – вектор электрического смещения

Вектор направлен в ту же сторону, что и . В отличие от напряженности поля вектор имеет постоянное значение во всех диэлектриках. Поэтому электрическое поле в неоднородной диэлектрической среде удобнее характеризовать не напряженностью , а смещением . С этой целью вводится понятие линий вектора и потока смещения, аналогично понятию силовых линий и потока напряженности

Или

Используя теорему Гаусса

Это уравнение выражает теорему Гаусса для вектора электрического смещения: полный поток вектора электрического смещения через произвольную замкнутую поверхность равен сумме свободных зарядов, заключенных в этой поверхности.