Для школьников.
Задача 1. Металлический заряженный шар окружён толстым слоем диэлектрика. Нарисуйте картину силовых линий электрического поля внутри и вне диэлектрика.
Решение. Из рисунка видно, что металлический шар заряжен положительно (избыточные положительные заряды распределены по поверхности шара). Понимаем это так, что с поверхности шара удалена часть свободных электронов.
К шару примыкает толстый слой диэлектрика, то есть диэлектрик находится в электрическом поле, созданным заряженным проводником. Под действием этого поля диэлектрик поляризуется, то есть его молекулы (диполи) стремятся расположиться так, чтобы отрицательный заряд диполя сместился против направления силовых линий поля (отрицательные поляризационные заряды расположатся на границе диэлектрика вблизи положительных зарядов проводника).
Положительные поляризационные заряды расположатся на внешней поверхности диэлектрика.
Таким образом, внутри диэлектрика существует и поле, созданное проводником, и поле, создаваемое поляризационными зарядами, направленное против электрического поля проводника и ослабляющее его. Поэтому на границе с диэлектриком густота силовых линий скачком уменьшается, а при выходе из диэлектрика увеличивается.
Степень ослабления электрического поля в диэлектрике (отношение напряжённости электрического поля в воздухе к напряжённости результирующего поля в диэлектрике) называется диэлектрической проницаемостью диэлектрика.
Задача 2. В жидкий диэлектрик, с известной диэлектрической проницаемостью, погружен положительно заряженный шар известного радиуса и заряда. Определить величину и знак поляризационного заряда и плотность его распределения.
Решение. На рисунке показано, что избыточный положительный заряд проводника распределён по его поверхности равномерно, так как кривизна поверхности во всех точках одинакова. Заряженный шар окружён жидким диэлектриком.
Диэлектрик в электрическом поле заряженного шара поляризуется, то есть на границе с положительно заряженным шаром с зарядом
существует отрицательный поляризационный заряд, обозначенный через
Нам нужно найти величину поляризационного заряда и его плотность (заряд, приходящийся на единицу поверхности).
Если бы вокруг заряженного шара не было диэлектрика, то напряжённость электрического поля была бы равна
При наличии диэлектрика напряжённость поля равна
Их разность равна напряжённости поля, создаваемого поляризационными зарядами, размещёнными около заряженного шара:
Учитывая их равномерное расположение около поверхности заряженного шара, можно найти напряжённость поля, создаваемого поляризационными зарядами ещё по формуле
Приравняв два последних выражения, найдём величину поляризационного заряда:
Разделив этот заряд на поверхность сферы, найдём плотность связанного поляризационного заряда:
Здесь
есть плотность распределения свободных зарядов на поверхности шара.
Таким образом, на конкретных примерах нами рассмотрена суть явления поляризации диэлектрика.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Занятие 51. Явление поляризации диэлектрика.
Следующая запись: Занятие 52. Почему внутри заряженного проводника электрического поля нет? Явление электростатической индукции.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1.
Ссылки на занятия (начиная с электростатики) даны в Занятии 45.