2.2 Поляризация диэлектриков
Из опыта следует, что для большого класса диэлектриков (за исключением сегнетоэлектриков) поляризованность линейно зависит от напряжения поля . Если диэлектрик изотропный и не слишком велико, то
|
Для установления количественных закономерностей поля в диэлектрике внесем в однородное внешнее электрическое поле (создается двумя бесконечными параллельными разноименно заряженными плоскостями) пластинку из однородного диэлектрика, расположив ее так, как показано на рисунке 9.1.
рис 9.1 |
Под действием поля диэлектрик поляризуется, т.е. происходит смещение зарядов: положительные смещаются по полю, отрицательные – против поля. В результате этого на правой грани диэлектрика, обращенного к отрицательной плоскости, будет избыток положительного заряда с поверхностной плотностью + на левой – отрицательного заряда с поверхностной плотностью -. Эти некомпенсированные заряды, появляющиеся в результате поляризации диэлектрика, называются связанными. Так как их поверхностная плотность меньше плотности свободных зарядов плоскостей, то не все поле компенсируется полем зарядов диэлектрика: часть линий напряженности пройдет сквозь диэлектрик, другая же часть – обрывается на связанных зарядах. Следовательно, поляризация диэлектрика вызывает уменьшение в нем поля по сравнению с первоначальным внешним полем. Вне диэлектрика .
Таким образом, появление связанных зарядов приводит к возникновению дополнительного электрического поля (поля, создаваемого связанными зарядами), которое направлено против внешнего поля ( поля, создаваемого свободными зарядами) и ослабляет его.
(9.3) |
Определим поверхностную плотность связанных зарядов .По (9.1), полный дипольный момент пластинки диэлектрика pV = PV = PSd, где S – площадь грани пластинки, d – ее толщина. С другой стороны, полный дипольный момент, согласно (7.1), равен произведению связанного заряда каждой грани S на расстояние d между ними, т.е. pV = Sd. Таким образом, PSd = Sd, или
(9.4) |
т.е. поверхностная плотность связанных зарядов равна поляризованности Р.
Подставив в (9.3) выражения (9.4) и (9.2), получим
откуда напряженность результирующего поля внутри диэлектрика равна
(9.5) |
Безразмерная величина
(9.6) |
называется диэлектрической проницаемостью среды. Сравнивая (9.5) и (9.6), видим, что показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком, и характеризует количественно свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.