Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
physics_bookshelf_electrostatics_andreev_chernykh.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
02.12.2025
Размер:
496 Кб
Скачать
☆

По теореме Гаусса ΦE =

q

 

= 0 , откуда следуетE = 0 т.е.

поле не

ε

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

существует.

 

 

 

 

 

Так как напряженность электрического поля

E

 

 

 

равна нулю, ϕ1 − ϕ2 =0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пространство внутри равномерно заряженной

 

 

 

 

цилиндрической поверхности эквипотенциально.

 

 

 

 

Графическое представление

напряженности

0

 

 

r

R

электростатического поля заряженной цилиндри-

 

 

 

 

ческой поверхности показано на рис. 27.

Рис. 27

 

5.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДИПОЛЬ

5.1.Диполь в однородном электрическом поле

Электрический диполь – система, состоящая из двух разноименных и равных по величине точечных зарядов: q+=|q–|=q. Расстояние l между зарядами мало по сравнению с расстоянием до точки наблюдения и называется плечом диполя.

 

Характеристикой диполя является электрический

prl

l

момент диполя – векторная величина pl . Вектор pl

на-

 

 

правлен от минуса к плюсу и численно равен

 

prl

 

 

= ql

Рис. 28

 

 

(рис. 28).

 

 

 

 

 

Рассмотрим электрический диполь, помещен-

 

r r

F+

ный в однородное электрическое поле. Сила F , дей-

 

ствующая на заряд q, помещенный в электрическое

L

M pl

rα

поле с напряженностью E , равна: F = q E. Силы

 

 

E

r

 

 

F

и F , действующие на положительный и отрица-

 

 

+

−

 

F−

Рис. 29

тельный заряды соответственно, равны по величине:

| F− |=| F+ |= F . Являясь противоположными по направлению, эти си-

лы образуют пару сил, приводящую диполь к вращению (рис.29).

 

 

Момент этих сил равен M = FL = Fl sin α = qEl sin α = pl E sin α.

Его можно представить как векторное произведение prl

и E : M = [prl E].

Наиболее характерные положения диполя:

1)α = 0 , prl ↑↑ E. Положение устойчивого равновесия;

2)α = π. Положение неустойчивого равновесия;

3)α = π2 . Соответствует максимальной величине момента сил M.

21

Вращающий момент M стремится развернуть диполь в направле-

нии силовых линий напряженности поля E .

Потенциальная энергия электрического диполя

 

 

ϕ

F+

 

Подсчитаем

работу электростатических (кон-

 

 

сервативных) сил

поля по повороту диполя,

от

 

 

α

 

 

 

α = α1

до

α = α2 .

Элементарная работа сил при

F−

 

Er

 

вращательном движении: δA = Mdϕ. Так как при

 

 

 

увеличении

ϕ

уменьшается α (рис. 30),

то

 

Рис.30

 

 

 

dϕ = −dα. Поэтому δA = −Mdα = −pl E sin αdα.

 

Работа сил поля по повороту диполя на конечный угол

 

 

 

α2

 

 

 

 

α2

 

 

 

 

Aк.с = ∫− pl E sin αdα =− pl E ∫sin αdα = pl E(cos α2 −cos α1).

 

 

 

α1

 

 

 

 

α1

 

 

 

Wп

 

 

 

 

 

 

Эту формулу можно представить в

 

 

 

 

 

следующем виде:

 

pl E

 

 

 

 

 

Aк.с = (−pl E cos α1) −(−pl E cos α2 ) =

 

 

 

 

 

 

 

где Wп

 

=Wп1 −Wп2 ,

 

0

 

π

 

π

α

– потенциальная энергия диполя,

 

 

 

Wп

= −pl E cos α.

 

 

2

 

 

 

 

− pl E

 

На графике рис. 31 самая нижняя точ-

 

ка соответствует положению устойчивого

 

Рис. 31

 

равновесия, а самая верхняя точка – поло-

 

 

жению неустойчивого равновесия.

5.2. Электрический диполь в неоднородном электрическом поле

В неоднородном электрическом поле на электрический диполь действуют разные по величине и направлению силы F+ ≠ F−, приводящие

к сложному движению диполя, которое можно рассматривать как суперпозицию вращательного и поступательного движений.

Результирующая сила F – консервативная сила, величина которой определяется градиентом потенциальной энергии, взятым со знаком + минус:

F = −gradWп = +grad( pl E cos α).

В первом случае F+ < F− (рис. 32), α – острый угол, cosα ≥ 0 . Поворот диполя сопровождается его

22

 

 

+ E

 

F

−

prl

1

 

 

 

+

Fr

 

 

prl

2

 

 

 

Рис. 32

−

втягиванием в область более сильного поля.

Во втором случае F+ > F− (рис. 32), α – тупой угол, cosα < 0 . По-

ворот диполя сопровождается его выталкиванием в область менее сильного поля. Затем в результате поворота угол α становится острым и происходит втягивание диполя в область более сильного поля.

 

 

Получим более простое выражение для силы F :

 

 

 

 

 

Fr = Fr

+ Fr

= q(Er

− Er

) = ql

E+ − E−

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

−

+

−

 

l

где E+ ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E− – напряженности поля в точках расположения соответст-

венно положительного и отрицательного зарядов диполя.

 

 

Теперь учтем, что

ql = pl , и

ввиду малости l справедливо

 

Er

+ − Er−

=

dEr

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

dl

 

dE

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда получим Fr = pl

 

, где dE – изменение напряженности по-

 

 

dl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ля на расстоянии dl , взятом вдоль направления дипольного момента pl .

5.3. Полярные и неполярные молекулы. Явление поляризации диэлектриков

Неполярные молекулы

Полярные молекулы

Молекулы, у которых заряды

Молекулы, у которых наблю-

расположены симметрично и

дается асимметричное распределе-

«центры» положительного и отри-

ние положительного и отрицатель-

цательного зарядов совпадают.

ного зарядов.

 

 

 

 

 

 

 

 

H2O

H

 

 

 

 

 

H2

 

 

 

 

H

 

H

 

 

O

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−

+H

 

 

 

 

Рис. 33

 

Рис. 34

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

При E = 0

дипольный момент

ПриE = 0 дипольный

момент

pl = 0 .

 

 

 

 

pl ≠ 0.

 

 

 

 

 

При Er ≠ 0 молекула будет ис-

ПриE ≠ 0 молекула будет ис-

пытывать

деформацию. Центры

пытывать ориентационное

влия-

положительного и отрицательного

ние: pr

↑↑ E.

 

 

зарядов

не

будут совпадать:

l

 

 

 

 

prl ≠ 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

23

 

Неполярные молекулы

Полярные молекулы

Возникает

индуцированный

 

электрический

момент,

равный

 

prl = αε0 E , где

α – поляризуе-

 

мость

(характеристика

молеку-

 

лы); prl

~ E – упругий диполь.

 

Твердое вещество содержит в 1 см3 ~ 1022 атомов. В проводнике концентрация свободных носителей заряда (электронов) примерно 1022 см–3. В диэлектрике практически нет свободных носителей заряда – один свободный электрон на 1014 – 1016 атомов. Таким образом, в диэлектрике можно пренебречь влиянием свободных электронов. Заряды, входящие в состав молекул диэлектрика, называются связанными.

Рассмотрим диэлектрик в электрическом поле.

Диэлектрик, состоящий из

 

Диэлектрик, состоящий из

неполярных молекул

 

 

 

полярных молекул

 

σ′

 

 

σ′

 

 

σ

 

σ′−

 

 

σ′+

σ−

σ+

−

+ −

+

σ−

 

+ −

+ − +

−

+

 

 

 

 

−

+

 

 

 

 

 

−

+

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

+

−

 

+

−

+

−

+

−

 

+

 

−

−

 

 

+ −

 

+

 

 

−

 

+

 

 

 

 

−

 

 

 

−

 

 

 

 

 

 

+

 

 

+

−

+

 

 

 

 

 

 

−

 

 

Рис. 35

 

 

 

 

 

Рис. 36

 

 

 

 

 

 

Происходит два процесса:

Происходит

деформация мо-

 

 

1) ориентация

диполей вдоль

лекул вдоль силовых линий поля.

 

силовых линий поля под действи-

 

r

 

 

 

 

При этом

pl ↑↑СЛ.

 

 

ем

вращающего

 

момента

 

 

 

 

 

 

M = [prl E];

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) дезориентация

 

диполей

 

 

 

 

 

 

вследствие теплового движения.

 

 

 

 

 

 

 

Таким

образом,

происходит

 

 

 

 

 

 

преимущественная ориентация ди-

 

 

 

 

 

 

полей по полю.

 

 

 

 

При помещении диэлектрика в электрическое поле не происходит переноса заряда из одной части диэлектрика в другую. На поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные связанные заряды, характеристикой которых является их поверхностная плотность σ′.

Поляризацией называется процесс, в результате которого сумма электрических дипольных моментов молекул ∑ pli диэлектрика стано-

i

24