§ 44. Диэлектрик в электрическом поле

Рассмотрим подробнее, что происходит с диэлектриком, помещенным в электрическое поле. Допустим, что полярный диэлектрик находится в электрическом поле. Со стороны последнего на диполь действуют две равные по величине и противоположно направленные силы: и (рис. 58, а). Их направление определяется направлением вектора напряженности внешнего электрического поля. Под действием этих сил диполи поворачиваются таким образом, что линия, соединяющая их заряды, совпадает с линией напряженности внешнего поля. При этом диполи ориентируются так, что их заряженные части становятся ближе к противоположно им заряженным телам, создающим внешнее электрическое поле.

Рис. 58. Поляризация диэлектрика в электрическом поле

Если в электрическом поле находится неполярный диэлектрик (рис. 58, б), то под действием электрических сил поля в нем происходит смещение заряженных частиц: электронная оболочка деформируется - вытягивается в сторону, противоположную вектору ₁ внешнего поля. Молекула становится диполем. Процесс смещения зарядов внутри диэлектрика вдоль линии напряженности внешнего электрического поля называется поляризацией диэлектрика. Чем сильнее напряженность внешнего поля, тем значительнее степень поляризации, т. е. больше число диполей ориентировано вдоль линий напряженности. Самой распространенной является поляризация в результате смещения электронов относительно ядра.

В полярных диэлектриках степень поляризации зависит от температуры: тепловое движение молекул нарушает ориентацию диполей. При высокой температуре такие диэлектрики не поляризуются. В неполярных диэлектриках степень поляризации не зависит от температуры: ее изменение не вызывает нарушения ориентации диполей. При исчезновении внешнего поля исчезает и поляризация диэлектрика: в полярном диэлектрике нарушается порядок в ориентации диполей, а ,в неполярных - исчезает деформация электронных орбит.

Внутри диэлектрика, помещенного в электрическое поле, в области, ограниченной на рис. 58, в пунктирными линиями, имеется одинаковое число положительно и отрицательно заряженных частиц; величины их зарядов равны между собой. Поэтому внутренняя часть диэлектрика не наэлектризована. В то же время на одной стороне поверхности диэлектрика находятся некомпенсированные положительные заряды, а на другой - отрицательные. Ввиду отсутствия свободных зарядов в диэлектрике при поляризации на его поверхности не получается такого количества зарядов) чтобы все линии напряженности внешнего поля, достигающие поверхности диэлектрика, оказались занятыми этими зарядами. Поэтому часть линий напряженности проникает внутрь диэлектрика, а часть либо начинается, либо кончается на его зарядах. Некомпенсированные заряды создают в диэлектрике, помимо имеющегося в нем внешнего электрического поля, свое электрическое поле, напряженность которого Е₂ направлена в сторону, противоположную напряженности E₁ внешнего поля, и меньше его. Напряженность результирующего электрического поля внутри диэлектрика F_р = Е₁ - Е₂. Итак, поляризация диэлектрика в электрическом поле веда к ослаблению внешнего поля внутри диэлектрика.

При большой напряженности внешнего электрического поля в твердом диэлектрике происходит разрыв частиц, образующих диполь. Это вызывает разрушение - пробой диэлектрика, в результате чего он теряет свои изолирующие свойства и становится проводником тока. Минимальная величина напряженности электрического поля в диэлектрике, при которой происходит его пробой, называется электрической прочностью диэлектрика. Если взять бумагу толщиной в 1 см, пропитанную парафином, и подать на нее напряжение 5 000 в, то в ней создается напряженность электрического поля, при которой наступает пробой. В слюде это произойдет при напряжении 1 000 000 в.

Рис. 59. Наличие свободных заряженных частиц в металле и их отсутствие в диэлектрике

В том, что в проводниках имеются свободные заряженные частицы, а в диэлектриках их нет, убедимся на таком опыте. Между заряженными пластинками A₁ и А₂ поместим парафиновую пластинку В, к одной стороне которой прикреплена металлическая пластинка С (рис. 59). Пластинки В и С заряжаются, как показано на рисунке: первая - благодаря поляризации, вторая - благодаря электризации через влияние. Между пластинками A₁ и В поместим гильзу Г₁. Видим, что она притянулась к пластинке А₁, зарядилась от нее, затем притянулась к пластинке В и осталась в таком положении. Гильза остается притянутой к пластике В потому, что парафин - диэлектрик и не имеет свободных заряженных частиц, которые перешли бы на гильзу и нейтрализовали ее заряд.

Гильза Г₂, помещенная вблизи пластинки А₂, притянувшись к ней, заряжается от нее положительным зарядом и, оттолкнувшись от этой пластинки, притягивается к пластинке С, где перенесенный ею заряд нейтрализуется. Затем гильза заряжается отрицательно и начинает притягиваться к пластинке А₂ и т. д. Движение гильзы между заряженными пластинками убеждает нас в том, что в металле есть свободные заряженные частицы, которые гильза в нашем опыте переносила с пластинки С на пластинку А₂. Установлено, что такими частицами являются электроны.