Образовака🌡️ Физика10 классОсновы электродинамики

Диэлектрики в электростатическом поле

4.3

Средняя оценка: 4.3

Всего получено оценок: 225.

В диэлектрике мало свободных носителей заряда. Поэтому электрическое поле не может создать в диэлектрике ток. Однако, вещество диэлектрика также взаимодействует с электрическим полем. Кратко рассмотрим этот процесс.

Диэлектрик в электростатическом поле

Опыты показывают, что если внести даже незаряженный диэлектрик в электростатическое поле, он начнет взаимодействовать с ним. Проще всего наблюдать это взаимодействие, взяв расческу, наэлектризованную от расчесывания, и поднести к мелким кусочкам бумаги:

Рис. 1. Притяжение расческой мелких кусочков бумаги.

Бумага является диэлектриком, и в данном опыте кусочки незаряжены. Однако, при возникновении рядом с ними внешнего поля заряженной расчески, они начинают притягиваться, словно в них появляется заряд.

Можно провести ряд аналогичных опытов, используя заряженный электроскоп. Поднесение к заряженному электроскопу даже незаряженного диэлектрика всегда будет влиять на распределение заряда в электроскопе, и немного колыхать его стрелку. У разных диэлектриков это явление выражено по-разному, однако, оно всегда присутствует.

Почему незаряженный диэлектрик взаимодействует с электростатическим полем ?

Полярные и неполярные диэлектрики

Для ответа на поставленный вопрос рассмотрим состав вещества. К 10 классу уже известно, что атомы любого вещества состоят из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядер равен заряду электронов, поэтому в целом вещество электрически нейтрально.

Однако, в пространстве электрический заряд может быть распределен по-разному.

Например, ядра и электроны могут быть расположены симметрично. В этом случае центр распределения положительного и отрицательного заряда совпадает. Скажем, в молекуле углекислого газа два атома кислорода располагаются симметрично по разные стороны от атома углерода.

Рис. 2. Пространственная структура молекулы углекислого газа.

У других веществ распределение положительных и отрицательных зарядов несимметрично. К таким веществам, например, относится обычная вода. В молекуле воды имеется один двухвалентный атом кислорода, и два атома водорода, образующие равнобедренный треугольник, в котором угол при вершине (атоме кислорода) составляет около 105⁰.

Рис. 3. Пространственная структура молекулы воды.

Получается, что в вершине треугольника отрицательные электроны расположены плотнее, чем в его основании. А положительная вершина имеет более концентрированный двойной заряд, по сравнению с более распределенным положительным зарядом основания. Все это приводит к тому, что центр отрицательного заряда в молекуле воды расположен ближе к вершине треугольника, и не совпадает с центром положительного заряда.

Таким образом, существует два вида диэлектриков – полярные и неполярные, у которых распределение заряда несимметрично и симметрично соответственно.

Поляризация диэлектрика

Итак, хотя, в целом вещество диэлектрика нейтрально, у полярных диэлектриков существует неравномерное распределение заряда по молекуле. Говорят, что молекула обладает электрическим дипольным моментом. Эта особенность и играет важнейшую роль при взаимодействии диэлектрика с внешним электрическим полем.

Под действием напряженности электростатического поля в диэлектрике полярные молекулы немного изменяют свое пространственное расположение, ориентируясь по внешнему полю. В результате общий положительный заряд молекул оказывается ближе к одной стороне тела, а общий отрицательный – ближе к другой. В теле появляется дипольный момент. Данный процесс называется поляризацией.

В неполярных диэлектриках поляризация также происходит, но в гораздо меньших размерах за счет изменения формы электронных облаков.

Теперь можно ответить на вопрос, почему мелкие кусочки бумаги притягиваются к расческе. Они поляризуются. Под действием поля расчески на ближнем конце кусочка бумаги появляется притягивающийся заряд, Одновременно, на дальнем конце появляется такой же отталкивающийся заряд. Поскольку сила притяжения на более близком расстоянии превышает силу отталкивания на большем, равнодействующая притягивает кусочек к расческе.

Что мы узнали?

При внесении диэлектрика в электростатическое поле происходит поляризация – молекулы немного меняют свое положение, в результате чего, распределение положительного и отрицательного заряда в теле становится неравномерным, у тела появляется дипольный момент.