Диэлектрики в электрическом поле ведут себя не так как проводник, хотя при этом у них есть нечто общее. Диэлектрики отличаются от проводников тем, что в них отсутствуют свободные носители зарядов. Всё-таки они там есть, но в очень малом количестве. В проводниках такими носителями зарядов являются электроны, свободно перемещающиеся вдоль кристаллической решётки металлов. Но вот в диэлектриках электроны прочно связаны со своими атомами и не могут свободно перемещается.
При внесении диэлектрика в электрическое поля в нем наступает электризация также как и в проводнике. Отличие же диэлектриков состоит в том что электроны не могут свободно перемещаться по объёму как это происходит в проводниках. Но под действием внешнего электрического поля внутри молекулы вещества диэлектрика появляется некоторое смещение зарядов. Положительный смещается вдоль направления поля, а отрицательный против. Вследствие этого поверхность получает некий заряд. Процесс образования заряда на поверхности диэлектриков под действием электрического поля называется поляризацией диэлектрика.
Все диэлектрики делятся на две категории. Диэлектрики, относящиеся к первой категории, имеют молекулы, которые даже в отсутствии внешнего электрического поля образуют диполи. Они называются полярными. К полярным диэлектрикам относятся вода аммиак ацетон и эфир. Диполи таких диэлектриков в отсутствии поля расположены хаотически вследствие теплового движения. И, следовательно, заряд на поверхности такого вещества равен нулю.
Но при внесении его во внешнее электрическое поля диполи то есть молекула стремятся развернуться вдоль поля. Получается, что положительный заряд предыдущего диполя смотрит на отрицательный следующего. Следовательно, они компенсируют друг друга. Но вот диполям находящимся возле самой поверхности не находится пара. Таким образом, на поверхности материала образуются нескомпенсированые связанные заряды. С одной стороны положительные с другой отрицательные. Но этому препятствует тепловое движение молекул.
Вторая категория диэлектриков это те, у которых внутри молекулы в свободном состоянии есть положительный и отрицательный заряды. Но они находятся так близко друг к другу, что их влияние взаимно компенсируется. Но при внесении такой молекулы в поле заряды сместятся на некоторое расстояние. Таким образом, образуется диполь. На такие молекулы не влияет тепловое движение и, следовательно, поляризация в них не зависит от температуры.
Заряды на поверхности диэлектриков в отличии зарядов индуцированных в проводниках нельзя отделить от поверхности. При снятии электрического поля поляризация пропадёт. Заряды снова перераспределятся в объёме вещества.
Напряжённость поля нельзя увеличивать безгранично. Так как при определенной величине заряды сместятся настолько, что произойдет структурное изменение материала, проще говоря, пробой диэлектрика. Он в этом случае теряет свои изоляционные свойства.
Однако следует подчеркнуть, что замкнутый полый проводник экранирует полость внутри себя только от внешних зарядов и полей. Если внести заряды внутрь полости, то там появится и электрическое поле (при том, что в самом проводнике поле по-прежнему должно быть равно нулю).
Далее, суммарное поле вблизи проводника перпендикулярно его поверхности и равно
|
|
(2.3) |
где s -плотность индуцированных зарядов (мы предполагаем, что проводник в целом незаряжен).
На практике приходится решать следующую задачу. Дано некоторое внешнее поле. В него вносится проводник заданной формы. Надо найти распределение индуцированных на нем зарядов и те изменения суммарного поля вне проводника, к которым они приводят. Плотность зарядов при заданном потенциале проводника определяется кривизной поверхности: s растет с увеличением положительной кривизны (выпуклости) и убывает с увеличением отрицательной кривизны (вогнутости).
Если поверхность проводника имеет впадины и выпуклости, то поверхностная плотность зарядов будет различной в разных точках поверхности проводника. Там, где имеется выпуклость, особенно острие, плотность зарядов будет больше, чем там, где имеется впадина (см. рис. 2.6).
Рис. 2.6. Распределение зарядов по поверхности проводника сложной формы
На рис 2.7 показан опыт по исследованию распределения зарядов на поверхности и в объеме проводника. Электрический заряд распределяется по поверхности проводника , а не в его объеме. Это демонстрируется при помощи металлического шара и двух полушарий, которыми его можно окружать. После сообщения заряда шару электрометр показывает наличие заряда на его поверхности. Если коснуться шара другим шаром, составленным из двух полушарий, то заряд распределяется между обоими шарами. Если же замкнуть заряженный шар внутри полушарий, то весь заряд с шара стекает на полушария, и после их размыкания электрометр показывает отсутствие остаточного заряда на шаре.
Плотность зарядов на поверхности проводника сложной формы различна в разных точках его поверхности: чем больше кривизна поверхности, тем выше плотность заряда. Коснемся пробным металлическим шариком разных частей поверхности проводника сложной формы, состоящего из цилиндрической и двух конических поверхностей, а затем - контакта электрометра. При этом наблюдается практически полное отсутствие отклонения стрелки электрометра после касания шариком вогнутой части тела, небольшое отклонение после касания цилиндрической части и максимальное - при касании острия выпуклой части тела.
