3.1.8 Диэлектрики в электростатическом поле

Диэлектрик - вещество, в котором нет свободных зарядов, способных свободно перемещаться по всему телу. Заряды в диэлектрике связаны с атомами, молекулами или узлами кристаллической решётки.

Поэтому диэлектрик во внешнем электростатическом поле ведёт себя иначе, чем проводник: заряды не уходят на поверхность как свободные носители, но немного смещаются внутри молекул или частично ориентируются.

Поляризация диэлектрика

Поляризация диэлектрика - состояние, при котором под действием внешнего поля в диэлектрике возникает упорядоченное разделение связанных положительных и отрицательных зарядов.

В результате на противоположных поверхностях диэлектрика появляются связанные заряды разных знаков. Эти заряды создают собственное поле, направленное против внешнего поля.

Важное отличие от проводника: в диэлектрике внутреннее поле обычно не становится равным нулю. Оно только ослабляется.

Как поле меняется внутри диэлектрика

Пусть диэлектрик помещён во внешнее однородное поле напряжённостью ${\vec{E}}_0$. Связанные заряды создают внутри диэлектрика поле ${\vec{E}}_{\text{связ}}$, направленное против ${\vec{E}}_0$.

Результирующая напряжённость внутри диэлектрика меньше, чем была бы без вещества:

Так как ${\vec{E}}_{\text{связ}}$ направлено против внешнего поля, модуль результирующего поля уменьшается.

Для однородного изотропного диэлектрика часто записывают:

где:

• $E_0$ - модуль напряжённости поля без диэлектрика;
• $E$ - модуль напряжённости поля в диэлектрике;
• $\epsilon$ - диэлектрическая проницаемость вещества.

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость вещества $\epsilon$ показывает, во сколько раз поле в данном диэлектрике ослабляется по сравнению с полем в вакууме при тех же внешних условиях.

Это безразмерная величина. Для вакуума $\epsilon =1$. Для обычных диэлектриков $\epsilon >1$, поэтому поле внутри них слабее, чем в вакууме.

Чем больше $\epsilon$, тем сильнее вещество поляризуется и тем заметнее оно ослабляет результирующее электрическое поле.

Полярные и неполярные диэлектрики

У полярных диэлектриков молекулы уже имеют разделение центров положительного и отрицательного зарядов. Во внешнем поле такие молекулы частично ориентируются вдоль поля. Это называют ориентационной поляризацией.

У неполярных диэлектриков без внешнего поля центры положительного и отрицательного зарядов совпадают. Во внешнем поле электронные оболочки немного смещаются относительно положительных ядер, и молекулы становятся похожими на маленькие диполи. Это называют электронной или деформационной поляризацией.

В обоих случаях итог один: связанные заряды создают встречное поле и ослабляют поле внутри диэлектрика.

Не путать с проводником

В проводнике при электростатическом равновесии:

внутри проводника.

В диэлектрике обычно:

внутри вещества, но модуль поля меньше, чем без диэлектрика.

Важно

Диэлектрик не полностью «выключает» электростатическое поле, а ослабляет его за счёт поляризации связанных зарядов.

Коротко

• В диэлектрике нет свободных зарядов, как в проводнике.
• Во внешнем поле диэлектрик поляризуется: связанные заряды немного разделяются или ориентируются.
• Связанные поверхностные заряды создают поле, направленное против внешнего поля.
• Поле внутри диэлектрика ослабляется, но обычно не становится нулевым.
• Диэлектрическая проницаемость $\epsilon$ показывает, во сколько раз диэлектрик ослабляет поле: $E=\frac{E_0}{\epsilon }$.