Поляризованность. Напряженность поля в диэлектрике. Свободные и связанные заряды. Диэлектрическая проницаемость среды

При помещении диэлектрика во внешнее электростатическое поле он поляризуется, т. е. приобретает отличный от нуля дипольный момент , где р_i — дипольный момент одной молекулы. Для ко­личественного описания поляризации ди­электрика пользуются векторной величи­ной — поляризованностью,определяемой как дипольный момент единицы объема ди­электрика:

Из опыта следует, что для большого класса диэлектриков (за исключением сегнетоэлектриков) поляризованность Р линейно зависит от напряженно­сти поля Е. Если диэлектрик изотропный и Е не слишком велико, то

где c— диэлектрическая восприимчивость

вещества,характеризующая свойства ди­электрика; c — величина безразмерная; притом всегда c>0 и для большинства диэлектриков (твердых и жидких) состав­ляет несколько единиц (хотя, например, для спирта c»25, для воды c=80).

Для установления количественных за­кономерностей поля в диэлектрике внесем в однородное внешнее электростатическое поле Е₀ (создается двумя бесконечными параллельными разноименно заряженны­ми плоскостями) пластинку из однородно­го диэлектрика, расположив ее так, как показано на рис. 135. 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 +s', на левой — отрицательного заряда с поверхностной плотностью -s'. Эти не­скомпенсированные заряды, появляющие­ся в результате поляризации диэлектрика, называются связанными.Так как их по­верхностная плотность s' меньше плотно­сти а свободных зарядов плоскостей, то не все поле Е 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 Е=Е₀. Таким образом, появление связанных зарядов приводит к возникновению допол­нительного электрического поля Е' (поля, создаваемого связанными зарядами), ко­торое направлено против внешнего поля Е₀ (поля, создаваемого свободными за­рядами) и ослабляет его. Результирующее поле внутри диэлектрика

E=E₀-E'.

Поле E'=s'/e₀ (поле, созданное двумя бесконечными заряженными плоскостями; см. формулу (82.2)), поэтому

E=E₀-s/e₀. (88.3)

Определим поверхностную плотность связанных зарядов s'. По (88.1), полный дипольный момент пластинки диэлектрика p_V=PV=PSd, где S — площадь грани пластинки, d — ее толщина. С другой сто­роны, полный дипольный момент, согласно (80.3), равен произведению связанного заряда каждой грани Q' = s'S на расстоя­ние d между ними, т. е. p_V=s'Sd. Таким образом,

PSd=s'Sd,

или

s'=Р, (88.4)

т. е. поверхностная плотность связан­ных зарядов s' равна поляризованности Р.

Подставив в (88.3) выражения (88.4) и (88.2), получим

Е=Е₀-cЕ,

откуда напряженность результирующего поля внутри диэлектрика равна

E=E₀/(1+c)=E₀/e. (88.5) Безразмерная величина

e=1+c (88.6) называется диэлектрической проницаемо­стью среды.Сравнивая (88.5) и (88.6), видим, что e показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком, характе­ризуя количественно свойство диэлект­рика поляризоваться в электрическом поле.