Чому електричне поле послаблюється всередині діелектрика?
Поляризація діелектрика. Щоб зрозуміти, чому поле всередині діелектрика менше, ніж у вакуумі, потрібно врахувати, що всі тіла побудовані з атомів і молекул. Атоми і молекули в свою чергу складаються з позитивних і негативних зарядів (атомних ядер і електронів), так що всякий діелектрик являє собою зібрання великої кількості заряджених частинок.
У молекулах ці позитивні і негативні заряди нерідко розташовані так, що одна половина молекули має переважно позитивний заряд, а інша – негативний. Така молекула, грубо кажучи, має вигляд палички або стрілки з протилежно зарядженими кінцями (рис. 65). Такі молекули часто називають диполями (двухполюсника, від грецького слова “ді” – два). Позитивний і негативний заряди в кожній молекулі однакові, і тому будь-яка молекула в цілому не заряджена. Однак при приміщенні дипольних молекул в електричне поле на кожну молекулу будуть діяти сили, які прагнуть встановити її у напрямку ліній поля.
У природному стані, т. Е. За відсутності зовнішнього поля, молекули речовини орієнтовані абсолютно хаотично. У будь-якій частині діелектрика будуть знаходитися однакові позитивні і негативні заряди в самому хаотичному розташуванні (рис. 66, а), і тому результуюче дію цих зарядів дорівнюватиме нулю. Коли ми поміщаємо діелектрик з дипольними молекулами в електричне поле, то під дією сил поля, що прагнуть повернути диполі, молекули повертаються так, щоб їх електричні осі встановилися по можливості по лініях поля. Говорячи “по можливості”, ми маємо на увазі наступне.
З іншого боку, тепловий рух молекул (див. Том I) прагне весь час розладнати цю впорядкованість і відновити хаотичне, безладне розташування молекул, показане на рис. 66, а. Боротьба між цими протилежно спрямованими факторами, з яких перший залежить від напруженості поля та індивідуальних властивостей даної речовини, а другий визначається температурою, призводить до того, що в полі даної напруженості не всі, а лише більша або менша частина молекул розташовується своїми осями близько до напрямку поля.
Наслідком цього впорядкування в розташуванні молекул є те, що на поверхні діелектрика утворюються рівні по модулю, але протилежні за знаком електричні заряди. Ці заряди тим більше, чим більш впорядковано розташування молекул. На рис. 66, в заряд на кордонах діелектрика більше, ніж на рис. 66, б. Діелектрик набуває “електричні полюси” або, як прийнято говорити, поляризується. Причина ослаблення поля в діелектрику і полягає в поляризації останнього.
Дійсно, уявімо собі плоский конденсатор, заповнений діелектриком (рис. 67), причому на лівій обкладці є позитивний заряд, а на правій – негативний. Так як однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні притягуються, то, очевидно, у лівій (позитивної) обкладки виникає на поверхні діелектрика негативний поляризаційний заряд, а у правій обкладки – позитивний. Таким чином, поле, створюване поляризаційними зарядами, направлено протилежно полю, створюваному зарядами на обкладках, і тому послаблює його. Результуюче поле в діелектрику виявляється менше, ніж за відсутності діелектрика.
Ми розглядали досі тільки дія поля на діелектрик, що виявляється в повороті молекул і впорядкування їх орієнтації. Крім цього дії поля, в деяких речовинах можливо і зміщення зарядів у межах кожної молекули або, як кажуть, поляризація кожної окремої молекули. Ця дія поля ще більш збільшує поляризаційні заряди, що виникають на поверхні діелектрика, і, отже, призводить до ще більшого ослаблення результуючого поля.
Поляризація діелектриків нагадує собою електризацію через вплив (§ 8). Однак між цими явищами існує і відмінність. Ми бачили, що електризація провідників за допомогою впливу пояснюється переміщенням вільних електронів, які в провідниках можуть пересуватися по всьому об’єму провідника. Роз’єднуючи в електричному полі провідник на дві частини, ми можемо відокремити індуковані заряди, і обидві половини провідника залишаться зарядженими навіть після усунення поля, що викликав ці заряди. На противагу цьому, всередині діелектрика електричні заряди не можуть вільно переміщатися, а можуть тільки зміщуватися в межах своєї молекули.
Тому, якщо розділити поляризований діелектрик в електричному полі на дві частини, то кожна частина складатиметься раніше з незаряджених в цілому молекул, і повний її заряд теж буде дорівнює нулю. На поверхні кожної з частин заряди, однак, будуть, і притому на одному кінці позитивні, а на іншому – негативні (рис. 68). Це й зрозуміло, оскільки до кожної частини можна застосувати ті ж міркування, що і для цілого шматка діелектрика. При усуненні зовнішнього поля заряди всередині молекул під дією теплового руху повертаються у вихідне невпорядковане розташування, і поляризаційні заряди зникають. Ми бачимо, що поляризаційні заряди, на відміну від індукованих, не можуть бути відокремлені один від одного. Тому поляризаційні заряди часто називаються ще пов’язаними зарядами.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)