Курс лекций по физике - Часть_2 - Электрическое_и_магнитное_поле_Оптика

Электрическое поле в веществе

До сих пор мы рассматривали электрическое поле в пустом пространстве. Если в электрическое поле внести вещество, то свойства вещества изменятся, и поле внутри него будет отличаться от поля снаружи. Это связано с тем, что в атомах или молекулах всех веществ находятся положительные заряды (ядра) и отрицательные заряды (электроны), которые реагируют на электрическое поле.

Рассмотрим, что происходит с электрическим полем в веществе.

Результат будет разным, в зависимости от того, диэлектриком или проводником является вещество.

Д и э л е к т р и к а м и (или изоляторами) называются вещества, не имеющие сво-

бодных зарядов, способных передвигаться в электрическом поле.

Все диэлектрики делятся на три класса.

1.Полярные диэлектрики состоят из полярных атомов или молекул, обладающих дипольными моментами в отсутствии электрического поля. Такими моле-

Мы здесь будем считать, что электроны находятся относительно ядер в покое в некоторых точках, полученных усреднением положений электронов во времени. Тогда

по времени расстояние между центрами положительных и отрицательных зарядов.

В отсутствии внешнего электрического поля дипольные моменты молекул диэлектрика либо равны нулю (неполярные молекулы), либо ориентированы хаотически

Если мы поместим диэлектрик в электрическое поле E0 , суммарный дипольный

момент диэлектрика и поляризованность станут отличными от нуля.

а) В полярных диэлектриках существующие диполи будут стремиться повернуться под действием вращающего момента электрических сил по полю. Это явление назы-

вается ориентационной поляризацией диэлектриков.

б) В случае неполярных диэлектриков в электрическом поле произойдет деформация распределения зарядов. Отрицательные заряды – электроны сместятся против поля, а положительные – сместятся по полю, хотя значительно меньше, поскольку бо-

лее тяжелые. Это явление называется электронной (деформационной) поляризацией

диэлектриков.

в) В случае ионных диэлектриков произойдет смещение положительных ионов кристаллической решетки (по полю) и отрицательных ионов (против поля) – ионная

Величина напряженности собственного поля диэлектрика пропорциональна суммарной напряженности E E , коэффициент пропорциональности , который зави-

сит от свойств диэлектрика, называют д и э л е к т р и ч е с к о й в о с п р и и м ч и в о -

с т ь ю в е щ е с т в а .

Электрическое поле внутри диэлектрика будет равно сумме внешнего и внутрен-

ка меньше внешнего поля, зависит от свойств диэлектрика и называется д и э л е к -

т р и ч е с к о й п р о н и ц а е м о с т ь ю в е щ е с т в а . Диэлектрическая проницаемость диэлектриков всегда больше единицы. Все диэлектрики ослабляют электрические поля.

Заряды, входящие в состав молекул диэлектрика, называются с в я з а н н ы м и ,

так как они не могут передвигаться под действием электрического поля.

Теорема Гаусса для напряженности электрического поля в веществе будет такой же, как и в свободном пространстве, – поток вектора напряженности электрического

(внешние по отношению к диэлектрику или другие несвязанные с атомами диэлектрика) заряды qk , находящиеся

внутри S .

Вычислим поток вектора напряженности E по теореме Гаусса

Поскольку диполи нейтральны, то диполи, полностью находящиеся внутри поверхности, дадут нулевой вклад в эту сумму. Ненулевой вклад дадут только диполи, которые перерезаются поверхностью S . Найдем количество зарядов, расположенных внутри поверхности и принадлежащих перерезаемым диполям. Будем считать, что все

Q Q1 Q2 ... Qn .

Выражая заряд через разность потенциалов и емкость, получим

C C1 C2 ... Cn .

Откуда емкость батареи параллельно соединенных конденсаторов

C C1 C2 ... Cn .

Полезно помнить, что емкость батареи параллельных конденсаторов больше большей емкости.

Если конденсаторы соединить последовательно, то это аналогично увеличению расстояния между пластинами, и, следовательно, уменьшению емкости. Найдем экви-

ласть (пунктир), заряд не переносится. Аналогично для правой обкладки второго конденсатора и левой – третьего, и т. д. Следовательно, заряды на обкладках всех конденсаторов одинаковы по величине.

Разность потенциалов между обкладками равна сумме разностей потенциалов на

каждом конденсаторе

1 2 ... n .

Выражая разность потенциалов через заряд и емкость, получим

Емкость батареи последовательных конденсаторов меньше меньшей емкости.

При заряде конденсатора, поскольку внутри него создается электрическое поле, обладающее энергией, он запасает энергию, которая локализована между его обкладками.

Э н е р г и я , з а п а с е н н а я к о н д е н с а т о р о м , равна работе против сил электростатического поля, затраченной на заряд конденсатора (на перенос заряда с

одной пластины на другую). В процессе заряда разность потенциалов между пластинами, создаваемая уже перенесенным зарядом q , изменяется от нуля до , величина заряда на пластинах q меняется от нуля до Q .

Найдем эту энергию, сложив элементарные работы A dq по переносу заряда dq между пластинами, разность потенциалов между которыми