2.12. Электростатическое поле в диэлектриках
Диэлектриками считают вещества, лишённые свободных электрических зарядов. При внесёнии во внешнее электрическое поле в них не происходит свойственного проводникам разделения зарядовё.
Внеся диэлектрик в поле, и разделив его пополам, нельзя добиться отделения положительных зарядов от отрицательных, потому что диэлектрики построены либо из нейтральных молекул (все газообразные и жидкие диэлектрики и часть твердых тел), либо из ионов, закрепленных в узлах кристаллических решеток. Узлы кристаллической решётки расположены так, что в ближайшем соседстве с положительным ионом находиться отрицательный ион, и в целом ячейка остается нейтральной. Речь идет об ионных кристаллических решетках типа NaCl.В последнем случае диэлектрик можно представить как совокупность двух связанных между собой равных по величине и противоположных по знаку зарядов, разнесённых в пространстве на малое расстояние 
. (рис. 2.19). Это расстояние называют плечом диполя, а совокупность двух зарядов — диполем.
Плечо диполя направлено к положительному заряду. Во внешнем поле на диполь действует вращающий момент, под действием которого диполь поворачивается по направлению поля. Величина вращающего момента, помимо поля, определяется еще дипольным моментом — произведением заряда на плечо диполя:
 . | (2.73) |
В случае же, когда вещество состоит из нейтральных молекул (либо атомов), образование диполя происходит под действием поля: положительные заряды смещаются в одну сторону, отрицательные — в другую. В силу нейтральности молекул эти заряды равны по величине, и, сместившись друг относительно друга, образуют диполь, называемый часто упругим, в отличие от первого — жёсткого.
Случай, когда жёсткий диполь помещен в однородное электрическое поле, иллюстрирован рис. 2.17 и пояснен выше. В однородном поле силы, действующие на заряды диполя одинаковы, поэтому диполь только поворачивается по полю. Если же поле неоднородно, к примеру, оно больше возле положительного заряда, диполь сместится в его сторону, т. е. будет втянут в поле. Если диэлектрик, попавший в неоднородное поле, достаточно легкий, он последует движению диполей, из которых состоит, и притянется к телу, создающему поле.
 |
Любой диэлектрик можно представить как совокупность дипольных моментов, ориентированных хаотически в отсутствии поля и получающих преимущественную ориентацию при внесёнии в поле. В первом случае сумма всех 
будет равна нулю, а во втором она примет определённое значение — диэлектрик поляризуется. На рис. 2.20а изображен тонкий слой вещества, не внесённого в поле (черный кружок обозначает ?плюс?, белый — ?минус?). В случае, представленном на рис. 2.20б, молекулы уже имеют ориентацию по внешнему полю 
, которая не происходит полностью из-за теплового движения. Сумма дипольных моментов в этом случае не будет равна нулю, и она пропорциональна количеству диполей в выделенном объёме и степени их ориентации. Если поделить эту сумму дипольных моментов на объём диэлектрика, то получим величину, характеризующую степень поляризации диэлектрика. Назовем её вектором поляризации
 . | (2.74) |
Нетрудно показать, что размерность вектора поляризации совпадает с размерностью поверхностной плотности зарядов: [P] = [s] = Кл/м2.
Следствием ориентации будут два явления, которые рассмотрим ниже.
1. Появление на поверхности диэлектрика заряженных слоев при равенстве нулю суммарного заряда внутри него. Появившиеся на поверхности заряды называют поляризационными. Поляризационные заряды характеризуются определенной поверхностной плотностью зарядов sп, которая растёт при увеличении напряжённости поля:
| sп = ae0E, | (2.75) |
где a — коэффициент пропорциональности, называемый диэлектрической восприимчивостью вещества. Она характеризует способность молекул вещества ориентироваться по полю. Это свойство индивидуально для каждого вещества, определяется из опыта. Температура, естественно, уменьшает a, поскольку мешает ориентации диполей. Постоянная e0 вводится только в системе СИ из соображений размерности, как коэффициент пропорциональности между s и Е. Обратим внимание, что 
— напряжённость суммарного поля, получившегося в результате сложения внешнего поля с полем поляризационных зарядов
.
Не следует думать, что поляризационные заряды появляются лишь в тонком слое, выделенном на рисунке 2.20 внутри диэлектрика. Ориентация присуща всем молекулам вещества, попавшего в поле. Поэтому рядом с отрицательным слоем, изображенном на рисунке, появятся молекулы следующего слоя, положительные заряды которого окажутся рядом с отрицательными. Слои компенсируют друг друга, и внутри диэлектрика суммарный заряд будет равен нулю. Останутся некомпенсированными лишь два поверхностных слоя, это и есть поляризационные заряды. Появление их на поверхности вещества, помещённого в поле, носит название поляризации диэлектрика.
2. Поляризация диэлектриков сопровождается появлением внутреннего, созданного поляризационными зарядами, поля. Оно направлено против внешнего и, складываясь с ним, даёт суммарную напряжённость
| Е = Е0 – Еп. | (2.76) |
Напряжённость Еп можно связать с sп известным соотношением этих величин для плоского конденсатора (2.30):
Еп =  . | (2.77) |
Тогда
| Е = Е0 –. | (2.78) |
Выражая по (2.75) поверхностную плотность зарядов через напряжённость суммарного поля E и меняя местами Е и Е0, получим
| Е0 = Е + aЕ = Е(1 +a ), | (2.79) |
или
| Е0 = eЕ, | (2.80) |
если ввести обозначение
| (1 + a) = e. | (2.81) |
Введенная выше величина носит название диэлектрической проницаемости.
Как и диэлектрическая восприимчивость, она является характеристикой вещества. Значение e больше единицы, значит, поле в диэлектрике меньше, чем поле в пустоте, в e раз. Впервые мы встретились с этой величиной, записывая закон Кулона. Теперь внесём уточнение: сила взаимодействия двух зарядов в диэлектрике уменьшается потому, что там уменьшается поле. Диэлектрическая проницаемость, так же как и восприимчивость, величина безразмерная.Равенство (2.80) служит основанием для введения вектора электростатической индукции
 . | (2.82) |
Эта векторную величину удобно использовать вместо напряжённости в случае нескольких диэлектриков, потому что 
не изменяется при переходе из одной среды в другую:
 | (2.83) |
Вектор электростатической индукции (в некоторых учебниках его называют вектором электрического смещения) служит так же, как и вектор напряжённости, для изображения полей. Линии напряжённости на границе двух сред должны прерываться из-за изменения напряжённости. С силовыми линиями, определяемыми электростатической индукцией, это не произойдет, т. к. не зависит от среды.