Физика (стр. 46 )

Решение. Пузырьки воздуха будут отталкиваться от шарика, и траектория их изогнется (рис. 3.2.2). Это происходит оттого, что диэлектрическая проницаемость керосина больше, чем воздуха. Следовательно, на поверхности пузырька, обращенной к шарику, возникнут связанные заряды одного знака с зарядом шарика.

Рис. 3.2.2

Электрическое поле в диэлектрике

Допустим, в вакууме образовано электрическое поле с напряженностью , а затем в это поле внесен диэлектрик (рис. 3.2.3). В результате поляризации диэлектрика на его поверхностях образуются заряды противоположного знака, и в нем возникает собственное электрическое поле с напряженностью , направленное противоположно внешнему полю. Напряженность результирующего поля в диэлектрике при этом уменьшается по сравнению с напряженностью поля в вакууме и численно равна разности .

С другой стороны, напряженность результирующего поля в диэлектрике может быть выражена как некоторая доля напряженности поля в вакууме: , где – некоторая постоянная, характерная для данного диэлектрика.

Рис. 3.2.3

Постоянная называется относительной диэлектрической проницаемостью и показывает, во сколько раз напряженность поля, образуемого некоторыми зарядами в данном диэлектрике, меньше напряженности поля, образуемого этими же зарядами в вакууме .

Относительная диэлектрическая проницаемость зависит, главным образом, от природы вещества, и величина ее обусловлена способностью молекул вещества поляризоваться под действием электрического поля. Численно составляет для большинства веществ значения от нескольких единиц до нескольких десятков единиц. Например, для воздуха , для стекла , для воды .

Если в электрическое поле в вакууме внести точечный заряд, то на него будет действовать сила . Чтобы заряженное тело поместить в поле, созданное в диэлектрике, в этом диэлектрике нужно сделать полость. В жидком или газообразном диэлектрике такую полость образует само тело, вытесняя диэлектрик из занимаемого им объема. На поверхности полости возникают связанные заряды, поэтому поле внутри полости будет отлично от поля в сплошном диэлектрике. Таким образом, силу, действующую на помещенное в диэлектрик заряженное тело, нельзя вычислять как произведение величины заряда на напряженность поля. В общем случае вычисление этой силы – задача весьма сложная. Только в случае безграничного жидкого или газообразного диэлектрика силу, действующую со стороны поля на помещенный в него точечный заряд, можно определить как произведение величины заряда на напряженность поля в диэлектрике . Напряженность поля, создаваемого в однородном безграничном диэлектрике точечным зарядом, равна: , где – заряд, создающий поле ; – диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Отсюда для силы взаимодействия двух точечных зарядов, погруженных в однородный безграничный диэлектрик, можно написать . Закон Кулона в таком виде применим только для жидких и газообразных диэлектриков.

Пример 2. Два точечных заряда, находясь в воздухе на расстоянии друг от друга, взаимодействуют с некоторой силой. На каком расстоянии эти заряды нужно поместить в масле, чтобы получить ту же силу взаимодействия?

Решение. По закону Кулона сила взаимодействия двух точечных зарядов равна: , где – диэлектрическая проницаемость среды. Для воздуха , для масла – (см. приложение). Следовательно, , где и – расстояния между зарядами в воздухе и в масле соответственно. Отсюда .

3.2.3. Сегнетоэлектрики. Пьезоэлектрический эффект

Существует группа веществ, которые могут обладать спонтанной (самопроизвольной) поляризацией в отсутствие внешнего поля. Это явление было открыто первоначально для сегнетовой соли (двойная калиево-натриевая соль винной кислоты ). В связи с этим все подобные вещества получили название сегнетоэлектриков.

Сегнетоэлектрики отличаются от остальных диэлектриков некоторыми особенностями. В частности, они обладают очень высокой диэлектрической проницаемостью.

В кристаллах сегнетоэлектрика имеются области, в которых дипольные моменты частиц параллельны друг другу в пределах данной области. Такие области называются доменами. В смежных доменах в отсутствие внешнего электрического поля направления дипольных моментов различны. При внесении сегнетоэлектрика в электрическое поле происходит переориентация дипольных моментов доменов по полю. Возникшее при этом суммарное электрическое поле доменов будет поддерживать ориентацию доменов и после прекращения действия внешнего электрического поля. Возникает так называемая остаточная поляризация. По причине очень сильного суммарного электрического поля доменов сегнетоэлектрики обладают аномально большими значениями диэлектрической постоянной (для сегнетовой соли ).

Сегнетоэлектрические свойства сильно зависят от температуры. Для каждого сегнетоэлектрика имеется температура, выше которой его необычные свойства исчезают, и он становится обычным диэлектриком. Это температура называется точкой Кюри. Сегнетова соль имеет две точки Кюри (остальные сегнетоэлектрики по одной): и . Ее свойства сохраняются лишь в указанном температурном интервале.

Важное практическое значение имеет сегнетоэлектрик титанат бария с точкой Кюри .

Некоторые кристаллы (в том числе все сегнетоэлектрики) при деформации поляризуются. Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Величина поляризации пропорциональна деформации, следовательно, механическому напряжению.

Пьезоэлектрический эффект имеет следующее объяснение. Решетку всякого кристалла можно представить в виде нескольких образованных разными атомами более простых решеток (подрешеток), вставленных друг в друга. Если кристалл не имеет центра симметрии, то при деформации происходит сдвиг простых решеток друг относительно друга, который может вызвать у кристалла появление электрического момента.

Практическая безынерционность пьезоэлектрического эффекта позволяет использовать пьезоэлектрические кристаллы для изготовления различных датчиков (например, пьезодатчиков давления), используемых в измерении импульсных величин.

Наряду с указанным прямым эффектом у пьезоэлектрических кристаллов наблюдается и обратный эффект, заключающийся в том, что поляризация под действием электрического поля сопровождается механическими деформациями кристалла. Если на металлические обкладки пьезокерамической пластинки подать переменное электрическое напряжение, то пластинка будет попеременно растягиваться и сжиматься, т. е. в ней возникнут механические колебания, которые станут особенно интенсивными, если частота переменного напряжения совпадет с собственной частотой пластинки. Такие настроенные в резонанс пьезоэлектрические пластинки используются для возбуждения ультразвуковых волн.

3.2.4. Проводники в электрическом поле

При внесении незаряженного проводника в электрическое поле носители заряда приходят в движение: положительные – в направлении вектора напряженности , отрицательные – в противоположную сторону. У концов проводника будут накапливаться заряды противоположного знака, называемые индуцированными зарядами. Поле этих зарядов направлено противоположно внешнему полю, поэтому накапливание зарядов у концов проводника будет приводить к ослаблению поля в нем. Это будет продолжаться до тех пор, пока не установится равновесное распределение зарядов, при котором электрическое поле внутри проводника обращается в нуль. В самом деле, если бы внутри проводника имелось поле, то оно вызвало бы упорядоченное движение зарядов без затраты энергии от внешнего источника, что противоречит закону сохранения энергии. Значит, внутри проводника напряженность поля равна нулю: . Отсутствие поля внутри проводника означает, что потенциал во всех точках внутри проводника постоянен. Отсюда следует, что поверхность проводника в электрическом поле является эквипотенциальной. Значит, и напряженность поля на поверхности проводника должна быть в каждой точке направлена по нормали к поверхности, т. к. линии напряженности ортогональны эквипотенциальным поверхностям.