10 класс
§ 66. Диэлектрики в электростатическом поле
Электрические свойства диэлектриков.
C помощью простого опыта можно убедиться в том, что незаряженный диэлектрик может создавать электрическое поле.
На рисунке 9.52, а показан заряженный электрометр с металлическим диском на конце стержня.
Если к диску электрометра поднести незаряженный диэлектрик, например толстое стекло, то стрелка электрометра слегка приблизится к стержню (рис. 9.52, б). Это может произойти только в том случае, если диэлектрик, помещённый в электростатическое поле заряженного диска, сам создаёт электрическое поле. Это поле влияет на распределение заряда в стержне и диске электрометра, уменьшая заряд стрелки и соответственно увеличивая заряд диска.
Следовательно, диэлектрик, оставаясь нейтральным, создаёт электрическое поле, напряжённость которого направлена противоположно напряжённости поля, созданного заряженным телом.
В отличие от проводников, в диэлектриках почти не существует свободных зарядов. Внутри атомов и молекул диэлектриков отрицательно и положительно заряженные частицы прочно связаны между собой электрическими силами (пo этой причине заряды в диэлектриках называют связанными). Однако связанные заряды могут смещаться под действием приложенных к ним электрических сил (в пределах одной молекулы). В любой части объёма диэлектрика общий положительный заряд равен отрицательному заряду и результирующее действие этих зарядов равно нулю.
Если поместить диэлектрик в однородное электростатическое поле, то на положительные и отрицательные заряды его молекул начнут действовать противоположно направленные электрические силы. Под действием этих сил заряды каждой молекулы сместятся, причём это смещение будет происходить по направлению напряжённости поля. Силы электростатического поля будут растягивать молекулы и ориентировать их вдоль силовых линий. В результате молекулы диэлектрика расположатся упорядоченно, и в этом случае в любой части диэлектрика суммарный электрический заряд будет равен нулю. Но на границах поверхности диэлектрика появятся нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды (рис. 9.53).
Их часто называют поляризационными.
Процесс смещения разноимённых зарядов в диэлектрике, помещённом во внешнее электростатическое поле, называют поляризацией, а сам диэлектрик в этом состоянии — поляризованным.
В проводниках электризация объясняется существованием в них свободных зарядов. Если разделить в электрическом поле проводник, заряженный через влияние, то части проводника окажутся разноимённо заряженными. Другими словами, заряды останутся на проводниках и после прекращения действия внешнего электростатического поля. Иначе обстоит дело с диэлектриками. Если разделить диэлектрик в электрическом поле на две части, то на вновь образованных поверхностях обеих частей появятся поляризационные заряды обоих знаков: на одной стороне положительные, а на другой — отрицательные (рис. 9.54).
Допустим, что напряжённость однородного электростатического поля между двумя заряженными пластинами в вакууме равна 
0 (рис. 9.55, а).
Заполним промежуток между этими пластинами каким-нибудь диэлектриком. Электрические заряды, появившиеся на границе диэлектрика с проводником вследствие поляризации, нейтрализуют действие части зарядов на пластинах. В результате поле между пластинами изменяется. Напряжённость этого поля становится меньше напряжённости 0 (рис. 9.55, б).
Диэлектрическая проницаемость.
Опыт показывает, что если последовательно заполнять промежуток между пластинами разными диэлектриками, то напряжённости поля оказываются разными. Поэтому по величине отношения модулей напряжённостей электростатических полей между пластинами без диэлектрика (в вакууме) и с однородным диэлектриком можно судить о его диэлектрической проницаемости.
Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз модуль напряжённости электростатического поля в однородном диэлектрике будет меньше модуля напряжённости электростатического поля в вакууме.
Если два точечных заряда находятся в диэлектрике, то напряжённость поля, создаваемого каждым из зарядов в точке, где находится другой заряд, уменьшается в ε раз. Следовательно, и кулоновская сила, с которой эти заряды взаимодействуют между собой, уменьшается в ε раз.
В заключение отметим, что существуют вещества (например, сегнетова соль, титанат бария и др.), которые имеют очень большую диэлектрическую проницаемость. Их называют
сегнетоэлектриками. Так, например, у сегнетовой соли ɛ достигает значения 10 000. Для сравнения, диэлектрическая проницаемость воды ε = 81.
Вопросы:
1. Какие заряды называют связанными?
2. В чём состоит процесс поляризации диэлектрика?
3. Объясните различие между поляризацией диэлектрика и электризацией проводника через влияние.
4. Раскройте физический смысл диэлектрической проницаемости.
Вопросы для обсуждения:
1. Почему лёгкий незаряженный диэлектрический шарик всегда притягивается к телу, заряженному любым по знаку зарядом?
2. Как известно, заряженный шарик притягивает мелкие кусочки бумаги. Как изменится сила притяжения, если окружить металлической сферой:
а) заряженный шарик;
б) мелкие кусочки бумаги?
Упражнения:
1. Определите диэлектрическую проницаемость трансформаторного масла, если два одинаковых точечных заряда в вакууме на расстоянии 20 см взаимодействуют с той же силой, что и в масле на расстоянии 0,14 м. Найдите модули зарядов, если модуль силы их электростатического взаимодействия равен 90 Н.
2. Отрицательный точечный заряд окружён сферическим слоем диэлектрика. Начертите линии напряжённости электростатического ноля. Изобразите, как будет примерно выглядеть график зависимости напряжённости электростатического поля от расстояния до центра сферы (рис. 9.56).
