Проводники и диэлектрики в электрическом поле

По электрическим свойствам все вещества делятся на три больших класса: диэлектрики, полупроводники и проводники. К проводникам относятся: металлы (проводимость осуществляется свободными электронами), электролиты (проводимость осуществляется ионами и сопровождается переносом вещества), плазма (носителями тока являются свободные электроны, а также положительные и отрицательные ионы).

Рассмотри твердые металлы. В металлических проводниках концентрация свободных электронов порядка 10²⁸ м^–3. Носители заряда в проводнике способны перемещаться под действием сколь угодно малой силы. Поэтому для равновесия зарядов на проводнике необходимо выполнение следующих условий:

• напряженность поля всюду внутри проводника должна быть равна нулю (Е = 0), т. е. потенциал внутри проводника j= const;

• напряженность поля на поверхности проводника должна быть в каждой точке направлена по нормали к поверхности (Е = Е₀).

Следовательно, в случае равновесия зарядов поверхность проводника эквипотенциальна. Если проводнику сообщить некоторый заряд q, то он распределится по внешней поверхности проводника. При внесении незаряженного проводника в электрическое поле носители заряда приходят в движение: положительные — в направлении вектора , отрицательные – в противоположную сторону. В результате у концов проводника возникают заряды противоположного знака, называемые индуцированными зарядами. Поле этих зарядов направлено противоположно внешнему полю . Перераспределение носителей заряда происходит до тех пор, пока напряженность поля внутри проводника не будет равна нулю, а линии напряженности вне проводника перпендикулярны его поверхности. (Вследствие принципа суперпозиции: , , но Þ ). Таким образом, нейтральный проводник, внесенный в электрическое поле, разрывает часть линий напряженности. Индуцированные заряды распределяются по внешней поверхности проводника. Если внутри проводника имеется полость, то при равновесном индуцированном распределении зарядов напряженность поля внутри полости равна нулю. Индуцированные заряды исчезают при удалении проводника из электрического поля.

Идеальный диэлектрик тот, который не проводит электрический ток. У диэлектриков нет свободных электронов, но положительные и отрицательные заряды в атомах смещаются друг относительно друга, то есть образуют диполь с электрическим моментом . В отсутствии поля эти диполи ориентированы произвольным образом, то есть суммарный дипольный момент равен нулю: .Если диэлектрик поместить во внешнее поле с напряженностью , тогда диполи ориентируются в этом поле (рис). Такое состояние диэлектрика называется поляризацией. Поляризация диэлектрика приводит к появлению связанных зарядов s_св, на его поверхности. Напряженность электростатического поля, создаваемого связанными зарядами, направлена противоположно напряженности внешнего, поляризующего диэлектрик электростатического поля (рис.). Напряженность суммарного поля внутри диэлектрика равна: Þ . Но Þ .

Степень поляризации диэлектрика характеризуется векторной величиной Р, называемой поляризованностью, т. е. векторной суммой дипольных моментов молекул, находящихся в единице объема:

где – дипольный момент отдельно взятой молекулы, п– концентрация атомов или молекул в объеме V.

Единица поляризованности – кулон на квадратный метр (Кл/м²).

Для изотропного диэлектрика поляризованностьпропорциональнанапряженности поля внутри него: (7.1)

где c– диэлектрическая восприимчивость диэлектрика, зависящая от строения вещества и температуры, величина безразмерная. Она отражает степень реакции среды на внешнее воздействие электрического поля.

Поляризованность направлена вдоль внешнего электростатического поля Е₀, в котором находится диэлектрик. Вектор электрического смещения для диэлектрика: .

Подставим сюда (7.1):

где – относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Þотносительная диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз напряженность поля в вакууме больше, чем в диэлектрике. Эта величина безразмерная.