Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Поместим в однородное электрическое поле нейтральный металлический проводник. Под влиянием поля свободные электроны проводника начнут перемещаться против поля. В результате левая часть поверхности проводника зарядится отрицательно, а правая, на которой окажется недостаток электронов, – положительно (рис. 39).

Это явление называется электростатической индукцией. Индуцированные заряды создадут внутри проводника свое собственное поле, которое, очевидно будет направлено противоположно внешнему полю, первоначально пронизывающему проводник. Перераспределение зарядов в проводнике происходит до тех пор, пока внешнее поле внутри него не скомпенсируется собственным полем зарядов. При этом результирующее поле внутри проводника отсутствует, напряженность становится равной нулю, перераспределение зарядов прекращается. Отсутствие поля внутри проводника означает, что все его точки имеют одинаковый потенциал, т.е. проводник является эквипотенциальным телом и поверхность проводника служит эквипотенциальной поверхностью.

Очевидно, что электрическое поле будет отсутствовать не только внутри сплошного проводника, но и внутри полостей, имеющихся в проводнике, например, внутри полого шара. На этом свойстве проводников основана так называемая электростатическая защита: прибор, который надо защитить от действия внешнего электрического поля, окружают со всех сторон проводником, например густой металлической сеткой.

Если проводник заряжен, то сообщенные ему заряды будут удаляться друг от друга под действием кулоновских сил отталкивания на возможно большее расстояние. Поэтому электрические заряды располагаются только на внешней поверхности проводника. Внутри проводника свободных зарядов нет. Наибольшая поверхностная плотность заряда оказывается на выпуклых частях проводника: ребрах, остриях и т.п. Вблизи этих частей создается наибольшая напряженность поля заряженного проводника.

Опыт показывает, что помещенный в электрическое поле диэлектрик приобретает полярность: та часть его поверхности, в которую входят силовые линии, заряжается отрицательно, а противоположная часть – положительно. Это явление называется поляризацией диэлектрика. По внешнему проявлению процесс поляризации диэлектрика схож с рассмотренным ранее процессом электростатической индукции проводника. Однако по существу эти процессы различны. В диэлектрике нет свободных зарядов, которые могли бы перераспределяться под действием поля. Все разноименные заряды в диэлектрике попарно связаны (электронная оболочка атома связана с его ядром, отрицательные ионы кристалла связаны с его положительными ионами и т.п.).

Диэлектрики делятся на состоящие из неполярных молекул (центры распределения «+» и «-» в молекуле совпадают) и состоящие из полярных молекул (центры распределения «+» и «-» в молекуле смещены). Неполярными являются все ковалентные двухатомные молекулы (Н₂, О₂, N₂ и др.) и многоатомные молекулы, имеющие центр симметрии (ССl₄, СО₂, С₆Н₆ и др.). Изолированные атомы также, конечно, неполярны. К полярным диэлектрикам относятся, например, вода, аммиак, эфир, ацетон.

Под влиянием внешнего электрического поля на молекулы неполярного диэлектрика их положительный заряд сместится в направлении поля, а электронная оболочка вытянется в противоположную сторону. Молекулы станут полярными и расположатся цепочками вдоль силовых линий поля (рис. 40).

В результате торцы диэлектрика приобретут разноименные заряды – диэлектрик поляризуется. Степень электронной поляризации диэлектрика зависит от его свойств и от величины напряженности поля Е₀.

Благодаря тепловому движению полярные молекулы расположены в диэлектрике беспорядочно, поэтому диэлектрик в целом оказывается неполяризованным (рис. 41). Под влиянием электрического поля все молекулы диэлектрика повернутся так, что их оси расположатся приблизительно вдоль силовых линий поля. В результате диэлектрик поляризуется. Полной ориентации молекул препятствует тепловое движение. Степень поляризации в этом случае зависит от свойств диэлектрика, величины напряженности поля Е₀ и температуры.

Поляризация диэлектрика в электрическом поле ведет к ослаблению этого поля внутри диэлектрика. Отношение напряженности поля в вакууме к напряженности поля в однородной изотропной диэлектрической среде при неизменных зарядах, создающих поле, называется относительной диэлектрической проницаемостью ε этой среды (или просто диэлектрической проницаемостью):

.

Очевидно, что ε – величина безразмерная. Относительная диэлектрическая проницаемость количественно характеризует свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле. Численные ее значения для различных диэлектриков приводятся в справочных таблицах.