Общий курс физики Том 3. Электричество - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
і 4МВ
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ
59
они также расходятся. Фарадей произвел аналогичный опыт (1836 г.) в большом масштабе, поместившись сам с электроскопом внутри металлической клетки, подвешенной к потолку на шелковых веревках. К клетке подносились металлические тела, заряженные от электростатической машины. Между ними и клеткой проскакивали сильные электрические искры, сообщавшие клетке большой электрический заряд. Никаких отклонений листочков электроскопа внутри клетки не наблюдалось, и никаких особых ощущений Фарадей не испытывал. Физики, работающие на высоковольтных ускорителях Ван-де-Граафа, автоматически повторяют опыт Фарадея. Они располагаются с измерительными
приборами внутри шара работающего ускорителя на миллионы вольт и уверены, что находятся под надежной защитой теоремы Фарадея.
Рис. 41.
§ 12. Поляризация диэлектриков
1. Диэлектрики являются непроводниками электричества. Как и в металлах, в них также могут возбуждаться индукционные заряды. Поднесем, например, к шарику с А rs
заряженного электроскопа С электрически нейтральное тело из диэлектрика А В (рис. 42). Угол отклонения стрелки электроскопа уменьшается. Дело в том, что заряд шарика С возбуждает на конце диэлектрика В индукционные заряды того же, а на конце А противоположного знака. Эти заряды оттягивают часть зарядов со стрелки и стержня электроскопа на шарик, с чем и связано уменьшение угла отклонения стрелки.
Попытаемся разделить индукционные заряды, возникшие на диэлектрике. Для этого воспользуемся тем же приемом, который применялся в случае металлов (см. рис. 32). Пусть диэлектрик
во
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
[ГЛ. I
состоит из двух половин Л и В, соприкасающихся между собой. Если в присутствии заряженного электроскопа эти части разъеди-нить, а затем убрать или разрядить электроскоп, то обе они окажутся незаряженными. Это показывает, что заряды в диэлектрике лишены той свободы передвижения, какая свойственна электронам в металлах.
2. Заряды в диэлектрике могут смещаться из своих положений равновесия лишь на малые расстояния, порядка атомных. Допустим, например, что диэлектрик состоит из электрически нейтральных молекул. Под действием приложенного электрического поля центр тяжести электронов в молекуле немного смещается относительно центра тяже-_D сти атомных ядер. Молекулы
становятся электрическими диполями, ориентированными положительно заряженными концами в направлении электрического поля В. В этом случае говорят, что диэлектрик поляризован, а само сме-д С щение положительных и отрица-
рис. 43, тельных зарядов диэлектрика в
разные стороны называют электрической поляризацией. На схематическом рис. 43 диэлектрик изображен прямоугольным параллелепипедом, а молекулы — шариками. Положительно заряженная половина молекулы закрашена в черный цвет, отрицательно заряженная оставлена светлой. Мы видим, что на конце АВ параллелепипеда ABDC выступают некомпенсированные отрицательные, а на конце CD — положительные поверхностные заряды. Это и есть индукционные заряды, появляющиеся в результате поляризации диэлектрика. Их называют поляризационными или связанными зарядами. Последним термином хотят подчеркнуть, что
свобода перемещения связанных зарядов ограничена. Они могут смещаться лишь внутри электрически нейтральных молекул. В объеме диэлектрика происходит компенсация положительных и отрицательных зарядов молекул, и никаких макроскопических поляризационных зарядов не появляется. Однако это справедливо только тогда, когда поляризация диэлектрика однородна, т. е. когда все молекулы диэлектрика поляризованы и ориентированы одинаково, Если же поляризация неоднородна, то компенсации нег, и в диэлектрике могут появиться объемные поляризационные (связанные) заряды.
Помимо электрически нейтральных молекул в диэлектрике могут существовать положительно или отрицательно заряженные ионы. Избыток ионов того или иного знака в какой-либо части диэлектрика означает налігчие в этой части нескомпенснрованных
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ
61
макроскопических зарядов. Такие заряды называются свободными. Они возникают в диэлектрике, например, при электризация; трением. К свободным зарядам относятся также все заряды, находящиеся на проводниках.
3. Механизм поляризации диэлектрика может быть и иным. Существуют диэлектрики, молекулы которых обладают дипольными моментами уже в отсутствие электрического поля. Такие молекулы называются полярными. Если поля нет, то полярные молекулы совершают хаотические тепловые движения и ориентнрованы совершенно беспорядочно. При наложении электрического ПОЛЯ ДИПОЛЬ-ныё моменты молекул ориентируются преимущественно в направлении поля. А это означает, что диэлектрик становится поляризованным.
Наконец, существуют диэлектрические кристаллы (например, кристаллы NaCl), построенные из ионов противоположного знака. Такие кристаллы называются ионными. Ионный кристалл состоит из двух кристаллических решеток, вдвинутых, одна в другою. Одна решетка построена из положительных, другая — из отрицательных ионов. В этом случае уже нельзя говорить о молекулах или атомах в кристалле. Кристалл в целом "должен -рассматриваться как одна гигантская молекула. При наложении электрического поля решетка положительных ионов сдвигается в одну, а отрицательных — в противоположную сторону. В этом и состоит электрическая поляризация ионных кристаллов. Существуют нонт ные кристаллы, поляризованные даже в отсутствие внешнего электрического поля. .. , ,
