§1.14. ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Взаимодействие заряженных тел в однородном диэлектрике ослабляется в є раз (? — диэлектрическая проницаемость среды). Выясним, почему это происходит.
Как влияет диэлектрик на электростатическое поле?
С помощью простого опыта можно убедиться в том, что незаряженный диэлектрик может создавать электрическое поле.
На рисунке 1.52 вы видите заряженный электрометр с метал-лическим диском на конце стержня. Если к диску электрометра поднести незаряженный диэлектрик, например толстое стекло, то стрелка электрометра слегка приблизится к стерж-ню (рис. 1.53). Это может произойти только в том случае, если диэлектрик, помещенный в электрическое поле заряженного диска, сам создает электрическое поле. Это поле влияет на распределение заряда в стержне и диске электрометра, уменьшая заряд стрелки и увеличивая соответственно заряд диска. Сле-довательно, диэлектрик, оставаясь нейтральным, создает электрическое поле, напряженность которого направлена противоположно напряженности поля, созданного заря-женным телом. Ведь согласно принципу суперпозиции на-пряженность электрического поля всегда равна сумме напря- женностей полей, созданных в данной точке всеми заряженными частицами.+ + + + + + + + +І
І+++++І
Электрические свойства нейтральных атомов и молекул
Чтобы понять, как незаряженный диэлектрик создает элект-рическое поле, надо сначала познакомиться с электрическими свойствами нейтральных атомов и молекул.
Атомы и молекулы состоят из положительно заряженных частиц — ядер и отрицательно заряженных частиц — электронов. На рисунке 1.54 изображена схема простейшего атома — атома водорода. Положительный заряд атома, заряд его ядра, сосредоточен в центре атома. Электрон движется в атоме с большой скоростью = 106 м/с. Один оборот вокруг ядра он делает за очень малое время, порядка Ю-15 с. Поэтому, например, уже за 10 9 с он успевает совершить миллион оборотов и, следовательно, миллион раз побывает в двух любых точках 1 и 2, расположенных симметрично относительно ядра.
Это дает основание считать, что даже за очень малый промежуток времени центр распределения отрицательного заряда приходится на середину атома, т. е. совпадает с положительно заряженным ядром (рис. 1.55, штриховыми окружностями показан ряд-положений электрона).Однако так обстоит дело не всегда. Рассмотрим молекулу поваренной соли NaCl. Атом натрия имеет во внешней оболочке один валентный электрон, слабо связанный с атомом. У хлора семь валентных электронов. При образовании молекулы единственный валентный электрон натрия захватывается хлором. Оба нейтральных атома превращаются в систему из двух ионов с зарядами противоположных знаков (рис. 1.56). Положительный и отрицательный заряды не распределены теперь симметрично по объему молекулы: центр распределения положительного заряда приходится на ион натрия, а отрицательного — на ион хлора.
ё
Электрический диполь
На большом расстоянии от молекулы ее можно приближенно рассматривать как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии I друг от друга (рис. 1.57). Такую нейтральную в целом систему зарядов называют электрическим диполем.
Электрические свойства диполя характеризуются электри-ческим дипольным моментом. Электрический момент диполя равен произведению модуля одного из электрических зарядов диполя на вектор I, проведенный от отрицательного заряда диполя к положительному: (1.14.1)
Р = Ш- -м
+|«|
Дипольным моментом обладает, например, молекула воды. Однако распределение электрических зарядов у молекулы Н20 гораздо сложнее, чем у NaCl. Устроена молекула воды приблизительно следующим образом. Из восьми электронов атома кислорода два находятся вблизи ядра. Пара электронов с внешней оболочки спаривается с двумя электронами атомов водорода, удерживая все три атома (один кислорода и два водорода) друг около друга. Остающиеся четыре электрона движутся парами по орбитам, простирающимся в стороны, противоположные атомам водорода.
Примерная схема электронных орбит в молекуле воды изображена на рисунке 1.58. Верхняя по рисунку часть молекулы имеет положительный заряд, а нижняя — отрицательный. В результате молекулу на большом расстоянии тоже можно рассматривать как электри-ческий диполь. Электрический дипольный момент молекулы воды по сравнению с дипольными моментами других молекул оказывается большим: р = 1,87 • Ю-18 СГСЭр.? Два вида диэлектриковДиэлектрики можно разделить на два вида: полярные, состоящие из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают;
неполярные, состоящие из атомов и молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают.
К полярным диэлектрикам относятся спирты, вода и другие вещества; к неполярным — инертные газы, кислород, водород, бензол, полиэтилен и др.
Существует два вида диэлектриков: полярные и неполярные. Они различаются строением молекул.