Дипольний момент системи Електричний диполь

Для наочного зображення електричного поля умовно застосовують електричні силові лінії.

Електричними силовими лініями називають лінії, які визначають напрям дії сил електричного поля на позитив­ний заряд. При різнойменних зарядах електричні силові лінії напрямлені від позитивного заряду до негативного. У кожній точці дотичні до силових ліній збігаються з век­тором напруженості в цій точці. Чим більше напруженість електричного поля, тим більше густота електричних силових ліній. Електричні силові лінії при однойменних (позитивних) зарядах зображено на рис. () Якщо в точках електричного поля електричні силові лінії мають однакову густоту, тобто однакову напруженість, то воно називається однорідним, а якщо густота електричних силових ліній в різних точках електричного поля не однакова, тобто напруженість не однакова, то воно називається неоднорідним. Наприклад, електричне поле всередині між двома пластинами з різнойменними зарядами є однорідним, а на кінцях пластин — неоднорідним.

Електричні силові лінії визначають напрям дії вектора напруженості в даній точці поля.

Електричне поле середовища навколо заряду може бути зображене не тільки електричними силовими лініями, а й поверхнями рівнозначного потенціалу, або еквіпотен­ціальними поверхнями. Навколо зарядже­ної кулі точки з однаковими потенціалами знаходяться на сферичній поверхні.

Якщо в даній точці діє електричне поле кількох зарядів, то його напруженість дорівнює геометричній сумі напру­женості електричних полів зарядів. Так, у точці А діє електричне поле заряду Q₁ з напруже­ністю е₁ і заряду Q₂ з напруженістю E₂. Геометрична сума напруженості в цій точці є напруженість Е.

Між напругою і напруженістю електричного поля існує певний взаємозв'язок. Справді, нехай маємо дві паралельні пластини, які розміщені одна від одної на відстані d і напругу U. Ці пластини утворюють напруже­ність Е електричного поля. Величина напруги

де А == Fd, тобто робота дорівнює добутку сили, що діє на заряд, на шлях переміщення заряду від однієї пластини до другої. Тоді . Оскільки , то U = Ed. Звідси ця формула застосовується для розрахунків конденса­торів і придатна тільки для однорідних електричних полів.

.

18. Провідники й діелектрики в електричному полі

Розглянемо електричне поле в провідниках та однорід­них діелектриках. Зазначимо, що провідники мають велику кількість електронів, які покинули орбіти атомів і рухають­ся хаотично. Такі електрони називаються вільними.

Характерною особливістю діелектриків є те, що вони мають дуже малу кількість вільних електронів. Тіла, в яких вільних електронів менше, ніж у провідниках, але більше, ніж у діелектриках, називаються напівпровідниками.

Якщо металевий провідник знаходиться в електричному полі з напруженістю Е1, то вільні електрони пере­міщуються до одного боку, який, завдяки накопиченню електронів, дістає негативний заряд, а протилежний бік провідника через нестачу електронів заряджається пози­тивно. Тоді в провіднику утворюється внутрішнє електричне поле з напруженістю Е2 напрямлене протилежно до зов­нішнього електричного поля Е1. Цей процес відбувається швидко і доти, поки напруженості зовнішнього і внутріш­нього полів не зрівняються, тобто е₁ =Е₂. Таке явище називається електростатич­ною індукцією.

При цьому результуюча на­пруженість електричного поля у провіднику дорівнюватиме нулю. Це означає, що напруга між дво­ма будь-якими точками провід­ника теж дорівнює нулю, тобто провідник має сталий потенціал.

Діелектриками є: папір, по­вітря, скло, парафін, гума, слю­да та інші матеріали. Діелектрики на одиницю об'єму мають ду­же малу кількість вільних електронів та інших зарядже­них частинок. Тому, якщо діелектрик знаходиться в зовніш­ньому електричному полі, то напрямленим рухом цих части­нок можна знехтувати. Рис.() Одночасно слід зазначити, що атоми діелектриків мають позитивно заряджене ядро і негативно заряджені, міцно зв'язані з ним, електрони. Загальний потенціал таких атомів нейтральний. Проте під дією зовнішнього електричного поля Е3 відбувається зсув орбіт обертання електронів у бік позитивного заряду цього поля. Тому атоми можна розглядати як електричний диполь, тобто сукупність двох частинок з електричними зарядами, які рівні за величиною, протилежні за знаком і мають дуже малу відстань між собою. Процес одночасного зсуву орбіт атомів діелектриків під дією електричного поля і переміщення зарядів з утворенням диполів викликає струм, який називають струмом зсуву або струмом поляризації:

де i_п — миттєве значення струму поляризації; dQ — мит­тєве значення заряду; dt — миттєве значення часу.

При повільних електричних процесах (сталій напрузі i низьких частотах) струм зсуву не спостерігається, проте він завжди спостерігається при підключені до конденсато­ра джерела постійного струму. Тут є зміна електричного поля і струм зсуву. Якщо напруга змінюється безперервно, то струм зсуву буде теж безперервний. Цим пояснюється властивість конденсатора пропускати струм змінного дже­рела напруги.

Електричні диполі розташовуються вздовж напряму вектора напруженості Е, що створює так звану поляриза­цію діелектрика рис. Внаслідок такої поляризації від зовнішнього електричного поля в діелектрику будь-якого об'єму, не меншого від об'єму атома, зберігається рівність обох зарядів. Тому діелектрик залишається нейтральним. Проте на боках діелектрика, в місцях прилягання до металевих пластинок, зосереджено частинки з заря­дом одного знака: від'ємного — на боці з позитивною пластиною і додатною — на боці з негативною пластиною. Вони утворюють заряд поляризації діелектрика Qn.

Таким чином, між металевою пластиною і діелектриком кожного боку знаходяться два типи заряджених частинок: вільні частинки металевих пластин з зарядом Qo, який утворює зовнішнє електричне поле Е₀, і зв'язані частинки діелектрика протилежного знака із загальним зарядом Qn, який утворює внутрішнє електричне поле Еп. Загальна напруженість цих полів у діелектрику визначається так:

Е = Ео -Еп

Характеристики електричного поля в діелектрику порівняно з характеристиками у вакуумі або в повітрі можна визначити, замінивши у відповідній формі e₀ (електричну сталу для повітря) на e_а , що характеризує властивості діелектрика і називається абсолютною діелект­ричною проникністю, причому e_а>e₀. Величина діелектричної проникності різних діелектри­ків наводиться в таблицях. Здебільшого вона подається як відносна діелектрична проникність e_r, яка є відношенням абсолютної діелектричної проникності e_а, до діелектричної сталої e₀. Відносна діелектрична проникність визначає, у скільки разів зменшується сила взаємодії в даному сере­довищі відносно вакууму або повітря: