Теперь рассмотрим поведение диполя во внешнем электрическом поле. Если диполь поместить в однородное электрическое поле, обра-зующие диполь заряды + q и – q окажутся под действием равных по ве-
личине, но противоположных по направлению сил F 1 и F 2 (рис. 2.2.1). Момент пары сил, действующих на диполь, будет равен:
| M = Fd = Fl sin = qEl sin = peE sin, | (2.2.1) |
где d = l sin – момент пары сил.
pe
+ q 
F 1
l d
E F 2 
− q
Рис. 2.2.1
| Формулу (2.2.1) можно записать в векторном виде: | |
| M pe E. | (2.2.2) |
Момент сил стремится повернуть диполь так, чтобы его электри-ческий момент pe установился по направлению поля.
Рассмотрим диполь, находящийся в неоднородном поле, обла-дающем симметрией относительно оси Ох. Пусть центр диполя лежит на этой оси, причем электрический момент диполя образует с осью
угол, отличный от /2 (рис. 2.2.2). В этом случае силы, действую-
щие на заряды диполя, не одинаковы по величине F 1 F 2. Поэто-
му, кроме вращательного момента, стремящегося развернуть диполь по направлению внешнего поля, на диполь будет действовать сила, стремящаяся переместить его в направлении оси Ох, т. е. передвинуть диполь в область поля с большей напряженностью.
Эта сила будет равна:
| F F F qE | qE | q E | E | , | (2.2.3) | |||
| x | ||||||||
где Е+ и Е – – значения напряженности внешнего поля в тех точках, где находятся заряды +q и – q.
| + q | F 1 | ||
| l | |||
| х | |||
| О | |||
| E | |||
| F 2 | − q |
l cos
Рис. 2.2.2
Эта сила будет равна:
| F F F qE qE q E E | , | (2.2.3) | |||||
| x | |||||||
где Е+ и Е – – значения напряженности внешнего поля в тех точках, где находятся заряды +q и – q.
| E E | dE | x | dE l cos. | (2.2.4) |
| dx | dx |
Подставим (2.2.4) в выражение (2.2.3) и получим, что сила, втяги-вающая диполь в область поля с большей напряженностью, равна:
| F | q dE l cos p dE cos. | (2.2.5) | |
| x | dx | e dx | |
Если 90°, то величина Fx положительна. Это означает, что под действием силы диполь втягивается в область более сильного поля (рис. 2.2.2). При 90° диполь выталкивается из поля.
Энергия диполя во внешнем электростатическом поле.
Найдем потенциальную энергию, которой обладает диполь во внешнем электрическом поле (рис. 2.3.1). Эта энергия будет равна:
| П = q + – q – = q (+ – –), | (2.3.1) |
где + и – – значения потенциалов внешнего поля в точках, где нахо-дятся заряды +q и – q.
| d | x | d l cos. | (2.3.2) | |||||
| dx | dx | |||||||
| + q | |||
| – | pe + | x | |
| E | |||
| – q | l cos |
Рис. 2.3.1
Подставив выражение (2.3.2) в выражение (2.3.1) и учитывая, что
E d,получим: dx
| П q d l cos qEl cos p E cos. | (2.3.3) | |||
| dx | е | |||
| Так как угол в формуле (2.3.3) – это угол между векторами E и | ||||
| pe,то данное выражение можно записать в виде: | ||||
| П pe E. | (2.3.4) |
Выражение (2.3.4) не учитывает энергию взаимодействия зарядов + q
и – q, образующих диполь.
Свободные и связанные заряды в веществе. Типы диэлек-
Триков.
Вещество (независимо от его природы и агрегатного состояния),
помещенное во внешнее электрическое поле, претерпевает опреде-ленные изменения. Это приводит к возникновению ряда явлений, ко-торые в свою очередь изменяют поле как внутри этого вещества, так и за его пределами.
По отношению к действию электростатического поля все веще-ства можно разделить на проводники, полупроводники и диэлектрики. Характерным признаком проводников является наличие в них так на-зываемых свободных носителей заряда (свободных зарядов), которы-ми являются электроны в металлах, ионы в электролитах, электроны и ионы в ионизованных газах и плазме. Под действием электрического поля эти заряды способны перемещаться по проводникам, и поэтому проводники проводят электрический ток. Диэлектрики, состоящие из нейтральных атомов или молекул, практически не содержат свобод-ных носителей заряда, и потому плохо проводят электрический ток
(т. е. в обычных условиях являются изоляторами). Заряды, которые входят в состав нейтральных атомов и молекул, а также заряды ионов в кристаллических диэлектриках с ионной решеткой называют свя-
занными зарядами.
Различают полярные и неполярные диэлектрики, а также ионно-кристаллические диэлектрики.
Неполярные диэлектрики (N2, H2, O2, CO2, CH4) – вещества, моле-кулы которых имеют симметричное строение, т. е. центры «сосредо-точения» положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают, и дипольный момент этих молекул в этом случае равен нулю. Молекулы таких диэлектриков на-
зываются неполярными.
Полярные диэлектрики (H2O, NH4, SO2, CO) – вещества, молеку-лы которых имеют асимметричное строение, т. е. центры «сосредото-чения» положительных и отрицательных зарядов не совпадают, и эти молекулы обладают дипольным моментом. Молекулы таких диэлек-триков называются полярными.
Ионно-кристаллические диэлектрики (NaCl, KCl, KBr) – вещест-ва, молекулы которых имеют ионное строение. Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чере-дованием ионов разных знаков. В этих кристаллах нельзя выделить отдельные молекулы, а рассматривать их можно как систему двух вставленных одна в другую ионных подрешеток противоположных знаков.
