ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ДИЭЛЕКТРИКАХ
ЭЛЕКТРОСТАТИ́ЧЕСКОЕ ПО́ЛЕ, электрическое поле неподвижных и не меняющихся со временем электрических зарядов, осуществляющее взаимодействие между ними.
Электростатическое поле характеризуется напряженностью электрического поля Е, которая является его силовой характеристикой: Напряженность электростатического поля показывает, с какой силой электростатическое поле действует на единичный положительный электрический заряд, помещенный в данную точку поля.
- Диэлектрики – электрически нейтральные вещества, состоящие из атомов и молекул, которые можно представить в виде системы электрических зарядов, локализованных на атомах и молекулах. Если в молекуле заменить систему положительных зарядов суммарным зарядом, расположенным в центре тяжести положительных зарядов, а систему отрицательных зарядов суммарным зарядом, расположенным в центре тяжести отрицательных зарядов, то мы можем представить молекулу в виде диполя.
В отсутствие внешнего электрического поля все диэлектрики делятся на три группы:
неполярные диэлектрики – вещества с симметричным строением, у которых центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают. Дипольный момент таких диэлектриков равен нулю
полярные диэлектрики – вещества, в которых молекулы имеют асимметричное строение и центры тяжести положительных и отрицательных зарядов находятся на некотором расстоянии друг от друга. Молекулы таких веществ обладают дипольным моментом, но тепловое движение ориентирует дипольные моменты таких молекул в пространстве хаотично и результирующий момент равен нулю
ионные кристаллы – вещества с упорядоченным расположением ионов в пространстве в виде кристаллической решетки. В таких веществах положительные и отрицательные ионы чередуются и результирующий момент равен нулю.
Свободные и связанные заряды.
При рассмотрении электростатического поля, в случае наличия в нем диэлектриков, нужно различать два рода электрических зарядов: свободные и связанные. Под свободными зарядами мы будем понимать, во-первых, все электрические заряды, которые под влиянием электрического поля могут перемещаться на макроскопические расстояния (электроны в металлах и вакууме, ионы в газах и электролитах и т. п.), и, во-вторых, заряды, нанесенные извне на поверхность диэлектриков и нарушающие их нейтральность). Заряды же, входящие в состав нейтральных молекул диэлектриков, равно как и ионы, закрепленные в твердых диэлектриках вблизи определенных положений равновесия, мы будем называть зарядами связанными.
Потенциал ф электростатического поля при наличии в нем диэлектриков равен, очевидно, сумме потенциала (фо, возбуждаемого свободными зарядами, и потенциала (р', возбуждаемого связанными электрическими зарядами в диэлектриках:
Потенциал свободных зарядов определяется формулой (12.11):
Поляризованность.
Поляризованность J — определяет интенсивность поляризации диэлектрика и является количественной характеристикой диэлектрика. Средний электрический момент, приходящийся на одну молекулу диэлектрика, дипольныЙ момент молекулы p = q • l (1.1) где q — величина заряда, l — расстояние между центрами положительного и отрицательного заряда. Если существует n таких молекул (диполей) в 1 м3, то J = n • p. (1.2) Поляризованность J, Кл•м/м3 совпадает по з Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.
Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации. Физический смысл вектора электрической поляризации — это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.
§ Вектор поляризации применим для описания макроскопического состояния поляризации не только обычных диэлектриков, но и сегнетоэлектриков, и, в принципе, любых сред, обладающих сходными свойствами. Он применим не только для описания индуцированной поляризации, но и спонтанной поляризации (у сегнетоэлектриков).
Поляризация — состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.
Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает всегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.
Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри однородного диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле с напряженностью Е1, направленное против внешнего поля с напряженностью Е0. Результирующая напряженность поля Е внутри диэлектрика Е=Е0-Е1.
начению с поверхностной плотностью зарядов, возникающих на поверхности диэлектрика.
Типы поляризации
В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:
§ Электронная — смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10−15 с). Не связана с потерями.
§ Ионная — смещение узлов кристаллической структуры под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки. Время протекания 10−13 с, без потерь.
§ Дипольная (Ориентационная) — протекает с потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле.
§ Электронно-релаксационная — ориентация дефектных электронов во внешнем электрическом поле.
§ Ионно-релаксационная — смещение ионов, слабо закрепленных в узлах кристаллической структуры, либо находящихся в междуузлие.
§ Структурная — ориентация примесей и неоднородных макроскопических включений в диэлектрике. Самый медленный тип.
§ Самопроизвольная (спонтанная) — благодаря этому типу поляризации у диэлектриков, у которых он наблюдается, поляризация проявляет существенно нелинейные свойства даже при малых значениях внешнего поля, наблюдается явление гистерезиса. Такие диэлектрики (сегнетоэлектрики) отличаются очень высокими значениями диэлектрической проницаемости (от 900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной керамики). Введение спонтанной поляризации, как правило, увеличивает тангенс угла потерь материала (до 10−2)
§ Резонансная — ориентация частиц, собственные частоты которых совпадают с частотами внешнего электрического поля.
§ Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованию объемных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения, имеет большие потери и является поляризацией замедленного действия.
- Помещение диэлектрика в электрическое поле вызывает его поляризацию – возникновение отличного от нуля результирующего дипольного момента pV.
где pi – дипольный момент одной молекулы. Для количественной оценки поляризации диэлектрика используют векторную величину – поляризованностьР
Поляризация диэлектрика приводит к тому, что в тонком поверхностном слое диэлектрика возникают некомпенсированные связанные заряды qсвяз, называемые поверхностными поляризационными зарядами, величина которых может быть определена из значения индуцированного дипольного момента
которая для большинства веществ линейно зависит от напряженности внешнего электрического поля
где χ – диэлектрическая восприимчивость вещества. С увеличением напряженности внешнего поля и уменьшением температуры диэлектрическая восприимчивость возрастает.
ДИЭЛЕКТРИ́ЧЕСКАЯ ВОСПРИИ́МЧИВОСТЬ, коэффициент пропорциональности c междуполяризацией диэлектрика P (дипольным моментом единицы объема) и напряженностью E внешнего электрического поля.
В диэлектрике, помещенном во внешнее электрическое поле, наблюдается процесс поляризации: диэлектрик приобретает определенный макроскопический дипольный момент. Для большинства диэлектриков в слабых электрических полях вектор поляризации пропорционален напряженности внешнего электрического поля, и эта связь выражается соотношением:
Р = ceоE,
где c — коэффициент пропорциональности, который и называют диэлектрической восприимчивостью; eо — электрическая постоянная, eо =8,854.10-12 Ф
5. теорема Остроградского –Гаусса в диэлектрической среде формулируется в следующем виде
Для произвольной замкнутой поверхности S поток вектора смещения электростатического поля D сквозь эту поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности свободных зарядов (вектором D описывается электростатическое поле, создаваемое свободными зарядами, но при таком их распределении, какое имеется при наличии диэлектрика).
Если электрическое поле имеет место в диэлектрике, то наблюдается поляризация вещества и появляются связанные электрические заряды.
Учитывают поляризацию с помощью вектора поляризации 
, который для анизотропных и однородных сред выражается через напряженность поля следующим образом: 
, где c – диэлектрическая восприимчивость вещества (диэлектрика). Вектор поляризации равен также поверхностной плотности связанных зарядов, возникающих в диэлектрике под воздействием внешнего электрического поля (Р = sсвяз).
Кроме этого, при анализе электростатических полей используют вектор электрического смещения:
.
(1.8)
Единицей электрического смещения является кулон на метр квадратный (Кл/м2).
Величина e = e0 + c является основной характеристикой диэлектрика и называется абсолютной диэлектрической проницаемостью. Отношение er = e/e0 называют относительной диэлектрической проницаемостью.
Вопрос 16
- Магнитным полем называется одна из форм проявления электромагнитного поля.
Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами, частицами и телами, облалающими магнитным моментом, а также изменяющимся во времени электрическим полем.
Магнитное поле характеризуется вектором напряженности Н.
Магнитное поле действует только на движущиеся электрические заряды и на частицы и тела, облалающими магнитным моментом.
Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В (вектор индукции магнитного поля), который определяется:
по действию магнитного поля на движущуюся в нем заряженную частицу – точечный электрический заряд;
малый элемент проводника с током;
по действию магнитного поля на небольшую рамку с током.
НАПРЯЖЕННОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ (Н), силовая характеристика магнитного поля, не зависящая от магнитных свойств среды. В вакууме H совпадает (в единицах СГС (сантиметр-грамм-секунда - система единиц)) с магнитной индукцией B. В среде Н определяет тот вклад в магнитную индукцию, который дают внешние источники поля.
Напряженностью магнитного поля называют векторную величину 
, характеризующую магнитное поле и определяемую следующим образом:
 ,
|
Напряженность магнитного поля заряда q, движущегося в вакууме равна:
 ,
|
Это выражение показывает закон Био–Савара–Лапласа для .
Напряженность магнитного поля является, как бы, аналогом вектора электрического смещения 
в электростатике.
Принцип суперпозиции
Магнитное поле, создаваемое несколькими движущимися зарядами или токами, равно векторной сумме магнитных полей, создаваемых каждым зарядом или током в отдельности.
Связь между напряженностью магнитного поля, индукцией и намагниченностью
В вакууме:
где H – напряженность магнитного поля, B – индукция магнитного поля, m0 = 4p10-7 В ∙ сек/А ∙ м = 4p10-7 Гн/м – магнитная постоянная.