Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектрики в электрическом полеСуществуют вещества и материалы, в которых электрические заряды не могут свободно перемещаться на большие расстояния. Эти материалы и вещества называют «непроводящими» (непроводящими электрический ток), изоляторами или «диэлектриками». В этих материалах энергетический зазор между верхом заполненной электронами валентной зоны и низом свободной от электронов зоны проводимости составляет больше 3 эВ. Слово диэлектрик содержит приставку «ди» — «два» и корень «электрик» и должно напоминать нам о том, что электрические заряды в таких материалах есть, но они всегда живут парами и покинуть друг друга не могут — они «связаны». 

Диэлектрики участвуют в электрическом взаимодействии: незаряженный диэлектрический предмет притягивается к заряженному предмету. Диэлектрическая палочка ориентируется во внешнем электрическом поле и т.д. Чтобы объяснить такое поведение диэлектриков, предложена простая механическая модель устройства их молекул. Точечные заряды разных знаков в этих модельных молекулах соединены пружинками.

Под действием внешнего электрического поля эти «связанные» заряды могут сместиться из своих положений равновесия и занять новые положения, соответствующие внешнему полю. При этом положительные заряды сдвигаются в направлении внешнего электрического поля, отрицательные заряды — в противоположном направлении, а растянутая пружинка удерживает заряды вместе, не давая им разбежаться на большое расстояние друг от друга.

Выделим мысленно некоторую площадку, перпендикулярную направлению приложенного внешнего электрического поля. Какое-то количество положительных связанных зарядов под действием поля перемещается в направлении электрического поля из положения равновесия (которое имеет место при отсутствии поля). В противоположную сторону перемещается некоторое количество отрицательных связанных зарядов. Чем больше расстояние, на которое перемещаются заряды, тем больший заряд проходит через мысленно выделенную в пространстве площадку, перпендикулярную вектору напряженности электрического поля. Площадка оказывается «проницаемой» для зарядов.

Чем больше жесткости «пружинок», которые удерживают (связывают) заряды, тем меньше проницаемость среды.

Заряд Q, прошедший через выделенную в пространстве произвольно ориентированную площадку, определяется ее размерами (площадью S) и ориентацией (углом между направлением вектора напряженности внешнего электрического поля и вектором нормали к площадке ) по отношению к внешнему полю. В однородном диэлектрике при небольших напряженностях электрического поля этот прошедший сквозь площадку заряд пропорционален скалярному произведению и площади S. Такое перераспределение зарядов называют «поляризацией диэлектрика» поскольку на поверхностях диэлектрического тела «выступают» заряды противоположных знаков.

Предметы, сделанные из непроводящих электрический ток материалов — диэлектриков, помещенные в электрическом поле, испытывают действие сил и моментов сил со стороны этого поля.

С другой стороны можно рассмотреть электрическое поле в диэлектрической среде. Например, величина вектора напряженности электрического поля Е0, созданного в пространстве точечным зарядом, становится меньше, если заполнить все пространство непроводящей (диэлектрической) жидкостью. Отношение величин напряженностей поля до заполнения диэлектриком и после заполнения Е1 характеризует вещество диэлектрика.

Существуют как однородные, так и неоднородные диэлектрические материалы. Например, кристаллы кварца относятся к неоднородным диэлектрикам: в них электрическое поле , равное сумме внешнего поля и поля, созданного перераспределенными связанными зарядами, не всегда имеет то же направление, что и внешнее электрическое поле .

Отметим, что если условие «полного и однородного» заполнения пространства диэлектриком не выполнено, то внутри и вне диэлектрика направления полей и могут не совпадать, и простое соотношение между полями ( ) тоже не выполняется.

Кстати, проводники в электростатике формально можно было бы рассматривать как диэлектрики с диэлектрической проницаемостью, равной бесконечности, ведь в них электрическое поле равно нулю.