плоского конденсатора предположим, что Р — величина постоянная, поэтому достаточно будет только посмотреть, что происходит на поверхностях. На одной поверхности отрицательные заряды (электроны) эффективно выдвинулись на расстояние d, а на другой поверхности они сдвинулись внутрь, оставив положительные заряды снаружи на эффективном расстоянии d. Возникает, как показано на фиг. 10.5, поверхностная плотность зарядов, которую мы будем называть
поляризационным зарядом.
Этот заряд можно подсчитать следующим образом. Если площадь пластинки равна
А, то число электронов, которое окажется на поверхности, есть произведение
А и
N (числа электронов на единицу объема), а также смещения S, которое, как мы предполагаем, направлено перпендикулярно к поверхности. Полный заряд получится умножением на заряд электрона
qe. Чтобы найти поверхностную плотность поляризационных зарядов, индуцируемую на поверхности, разделим на
А. Величина поверхностной плотности зарядов равна
Но она равна как раз длине
Р вектора поляризации Р [формула (10.4)]:
Фиг. 10.5. Диэлектрик в однородном поле. Положительные заряды сместились на расстояние d относительно отрицательных.
(10.5)
Поверхностная плотность зарядов равна поляризации внутри материала. Поверхностный заряд, конечно, на одной поверхности положителен, а на другой отрицателен.
Предположим теперь, что наша пластинка служит диэлектриком в плоском конденсаторе.
Пластины конденсатора также имеют поверхностный заряд (который мы обозначим sсвоб, потому что заряды в проводнике могут двигаться «свободно» куда угодно). Конечно, это тот самый заряд, который мы сообщили конденсатору при его зарядке. Следует подчеркнуть, что sпол существует только благодаря sсвоб. Если, разрядив конденсатор, удалить sсвоб, то sпол также исчезнет, но он не стечет по проволоке, которой разряжают конденсатор, а уйдет назад внутрь материала, за счет релаксации поляризации в диэлектрике.
Теперь мы можем применить теорему Гаусса к поверхности
S, изображенной на фиг. 10.1. Электрическое поле
Е в диэлектрике равно
полной поверхностной плотности зарядов, деленной на e0. Очевидно, что sпол и sсвоб имеют разные знаки, так что
(10.6)
Заметьте, что поле
Е0между металлической пластиной и поверхностью диэлектрика больше поля
Е; оно соответствует только sсвоб. Но нас здесь интересует поле внутри диэлектрика, которое занимает почти весь объем, если диэлектрик заполняет почти весь промежуток между пластинами. Используя формулу (10.5), можно написать
(10.7)
Из этого уравнения мы не можем определить электрическое поле, пока не узнаем, чему равно Р. Здесь мы, однако, предполагаем, что Р зависит от Е и, более того, пропорционально Е. Эта пропорциональность обычно записывается в виде
(10.8)
Постоянная c (греческое «хи») называется
диэлектрической восприимчивостью диэлектрика.
Тогда выражение (10.7) приобретает вид
(10.9)
откуда мы получаем множитель 1/(1+c), показывающий, во сколько раз уменьшилось поле.
Фиг.10.6. Количество ааряда, прошедшее через элемент воображаемой поверхности в диэлектрике, пропорционально компоненте Р,
нормальной к поверхности.
Напряжение между пластинами есть интеграл от электрического поля. Раз поле однородно, интеграл сводится просто к произведению
Е и расстояния между пластинами
d. Мы получаем
Полный заряд конденсатора есть sсвоб
А, так что емкость, определяемая формулой (10.2), оказывается равной
(10.10)
Мы объяснили явление, наблюдавшееся на опыте. Если заполнить плоский конденсатор диэлектриком, емкость возрастает на множитель
(10.11)
который характеризует свойства данного материала. Наше объяснение останется, конечно, неполным, пока мы не объясним (а это мы сделаем позже), как возникает атомная поляризация.
Обратимся теперь к чуть более сложному случаю — когда поляризация Р не всюду одинакова. Мы уже говорили, что если поляризация непостоянна, то вообще может возникнуть объемная плотность заряда, потому что с одной стороны в маленький элемент объема может войти больше зарядов, чем выйдет с другой. Как определить, сколько зарядов теряется или приобретается в маленьком объеме?
Подсчитаем сначала, сколько зарядов проходит через воображаемую плоскость, когда материал поляризуется. Количество заряда, проходящее через поверхность, есть просто
Р, умноженное на площадь
Последние комментарии
1 день 5 часов назад
1 день 7 часов назад
1 день 22 часов назад
1 день 22 часов назад
2 дней 3 часов назад
2 дней 7 часов назад