Напряженность электрического поля в диэлектрике. Диэлектрическая проницаемость

Итак, при внесенции диэлектрика в электрическое поле с напряженностью происходит поляризация диэлектрика, в результате которой возникает поле связанных зарядов, направ­ленное против внешнего поля (см. рис. 2).

Напряженность поля связанных зарядов обозначим через ; оказывается она пропорциональна напряженности поля в диэлектрике, т.е. поэтому напряженность поля в диэлектрике , или .

откуда (3)

где (4)

называют относительной диэлектрической проницаемостью вещества или среды; - безразмерная величина; т.к. æ =0 для вакуума и, практически, для воздуха, то для этих же сред = 1.

Итак, поле в диэлектрике ослабляется в ε раз, по сравнению с полем в вакууме. Из рис. 2 следует, что связанный суммарный заряд не равен нулю лишь на поверхнос­ти диэлектрика. Эти заряды называются поверхностными поляризационными зарядами.

4.4. Теорема Гаусса - Остроградского для поля в диэлектрике. Связь векторов - сме­щения, - напряженности и - поляризованности

Теорема Гаусса - Остроградского для потока вектора в вакууме имела вид:

, или

где Q - суммарный заряд, охватываемый замкнутой поверхностью S. В диэлектрике Q складывается из свободных (сторонних) зарядов и связанных зарядов, т.е.

(5)

Можно показать, что .

Подставляя эту формулу в (5), после преобразования получим

(6)

Величину (7)

называют вектором электрического смещения или вектором электрической индукции. Она измеряется, как и , в Кл/м². Учитывая, что находим

. (8)

Линии вектора могут начинаться или заканчиваться лишь на свободных зарядах, а линии - на свободных и связанных. С учетом (7) формула (6) запишется так

, (9)

т.е. поток вектора электрического смещения через произвольную замкнутую поверхность S равен алгебраической сумме свободных зарядов, охватываемых этой поверхностью.

Это и есть теорема Гаусса - Остроградского в интегральной форме для поля в диэлек­трике, которая в дифференциальной форме выглядит так:

= dq/dV, Кл / м (10)

ρ – объемная плотность свободных зарядов.

4.5. Граничные условия для векторов и

Из теоремы Гаусса-Остроградского (9) для поля в диэлектрике, на границе раздела двух диэлектриков, (см. рис. 3), имеем

откуда E = E . = , откуда Е = Е .

Таким образом, на границе раздела двух диэлектриков касательные со­ставляющие напряженности электрического поля изменяются непрерывно, а нормальные составляющие - скачкообразно.

Заключение: С учетом того, что напряженность поля в диэлектрике E = Е / , т. е. в раз мень­ше, чем в вакууме, ряд формул, описывающих взаимодействие зарядов в диэлектрике, будут иметь другой вид:

a) закон Кулона F = , (11)

b) напряженность поля точечного заряда q, окруженного диэлектриком, E= ,(12)

c) потенциал поля точечного заряда q, окруженного диэлектриком, = , (13)

d) напряженность поля заряженной плоскости, окруженной диэлектриком, E = , (14)

e) напряженность поля между двумя разноименно заряженными пластинами, Е= , (15)

f) для заряженного цилиндра , окруженного диэлектриком, Е = , при r (16)

g) для заряженного шара, окруженного диэлектриком, E = , при r (17)

и т.д., всюду вместо пишется .