Статью подготовили специалисты образовательного сервиса Zaochnik
Свободные и связанные заряды
- 13 января 2024
- 6 минут
- 1 930
Когда рассматриваются диэлектрики в электростатических полях, следует различать два вида электрических зарядов: свободные и связанные.
Свободные заряды – это заряды, перемещающиеся под действием поля на существенные расстояния.
Например, электроны в проводниках, ионы в газах и заряды, привносимые извне на поверхность диэлектриков, которые нарушают их (диэлектриков) нейтральность. Заряды, входящие в состав нейтральных, в целом, молекул диэлектриков, так же, как ионы, закрепленные в кристаллических решетках твердых диэлектриков около положений равновесия, получили название связанных зарядов.
Поверхностная плотность зарядов
Формула потенциала электростатического поля в диэлектрике φφ запишется как:
φ=φ0+φ' (1)φ=φ0+φ' (1) с φ0φ0, являющимся потенциалом поля, создаваемого свободными зарядами, с
φ'φ' - потенциалом поля, создаваемого связанными зарядами.
Известно:
φ0=∫ρdVR+∫σdSR (2)φ0=∫ρdVR+∫σdSR (2), ρρ - это объемная плотность свободных зарядов, σσ - их поверхностная плотность. Определение потенциала поля связанных зарядов:
φ'=∫→P→RR3dV (3)φ'=∫→P→RR3dV (3), где →P→P служит вектором поляризации.
Можно сделать вывод, что из (1)(1) и (3)(3) получим:
φ=φ0+∫→P→RR3 (4)φ=φ0+∫→P→RR3 (4).
При использовании теоремы Остроградского-Гаусса с некоторыми формулами векторного анализа имеем совсем иной вид уравнения (4)(4):
φ=φ0+∫ρsυRdV+∫σsυRdV=∫ρsυ+ρRdV+∫σsυ+σRdV (5)φ=φ0+∫ρsυRdV+∫σsυRdV=∫ρsυ+ρRdV+∫σsυ+σRdV (5),
где ρsυρsυ обозначается в качестве средней объемной плотности связанных зарядов, а σsυσsυ - средняя поверхностная плоскость связанных зарядов. По уравнению (5)(5) видно, что при наличии диэлектрика электрическое поле совпадает с полем, созданным свободными зарядами плюс поле, которое создается связанными зарядами.
Плотность связанных зарядов
Если →P=const→P=const, то средняя плотность связанных зарядов равняется нулю. Это говорит о том, что накопление зарядов одного знака в диэлектрике не происходит. На границе между поляризованным диэлектриком и вакуумом или металлом сосредоточен поверхностный связанный заряд плотности:
σsυ=±Pn, -div →P=ρsυ (6)σsυ=±Pn, −div →P=ρsυ (6) с PnPn, являющейся нормальной компонентой вектора поляризованности диэлектрика на его границе с вакуумом.
Функция φφ вида (7)(7) будет решением уравнения:
∇2φ=-4π (ρ+ρsυ) (7)∇2φ=−4π (ρ+ρsυ) (7).
При →E=-∇φ→div →E=-∇2φ (8)→E=−∇φ→div →E=−∇2φ (8) и (6)(6) получим:
div →E=4πρ-4πdiv →P (9)div →E=4πρ−4πdiv →P (9).
div (→E+4π→P)=4πρ (10)div (→E+4π→P)=4πρ (10).
Выражение (10)(10) называют основным дифференциальным уравнением электростатического поля в любой произвольной среде.
Для получения полной системы уравнений электростатики, нужно использовать формулу (10)(10) с определением, связывающим векторы напряженности электрического поля с векторами поляризации.
Зависимость →P (→E)→P (→E) представится как:
Pi=ε0∑jχijEj+ε0∑j,kχijkEjEk+... (11)Pi=ε0∑jχijEj+ε0∑j,kχijkEjEk+... (11), где i, ji, j служат для нумерации компонентов по осям декартовой системы координат (i=x, y, z; j=x, y, z), χij(i=x, y, z; j=x, y, z), χij - это тензор диэлектрической восприимчивости.
Если имеется внешнее электрическое поле, вещество становится источником поля, значит, поле изменяется.
Дан плоский конденсатор с пространством, между обкладками которого заполнено однородным изотропным диэлектриком с диэлектрической восприимчивостью χχ. На них располагается поверхностный заряд с плотностью σσ. Определить напряженность результирующего поля в конденсаторе.
Решение
Если при имеющихся обкладках конденсатора находится вакуум, то напряженность поля, создаваемого заряженными обкладками, запишется как:
Evak=σε0Evak=σε0 с ε0=8,85·10-12 Фм, являющейся электрической постоянной.
Рисунок 1
+q, -q - это заряды, находящиеся на обкладках конденсатора.
→Evak - напряженность поля, создаваемого обкладками конденсатора.
-q',+q' - заряды диэлектрика.
→E' - напряженность поля, создаваемого в результате поляризации диэлектрика.
Очевидно, что диэлектрик поляризуется, тогда напряженность уменьшается. Диэлектрик однородный, а поле, создаваемое в плоском конденсаторе, также считается однородным. Отсюда вывод – поляризованность диэлектрика однородна, иначе говоря, отсутствуют объемные связанные заряды ρsυ=0. Имеются только поверхностные с плотностью σsυ:
σsυ=Pn.
Так как известна связь напряженности поля и вектора поляризации для изотропного диэлектрика, то
P=χε0E.
Отсюда получаем:
σsυ=χε0E с Е, являющейся проекцией напряженности на внешнюю нормаль к поверхности диэлектрика.
Направление напряженности идет от стороны положительно заряженной пластины к отрицательной. Из σsυ=χε0E получаем, что поверхностная плотность связанного заряда на границе с положительно заряженной пластиной отрицательная, а на границе с отрицательной пластиной – положительная. Следовательно, напряженность поля в диэлектрике между этими пластинами равняется напряженности поля в вакууме между ними, но со значением поверхностной плотности заряда, вычисляемой по формуле σ'=σ-σsυ.
На основании выше сказанного зафиксируем, что напряженность поля в конденсаторе с диэлектриком запишется как:
E=(σ-σsυ)ε0=(σ-χε0E)ε0.
Произведем выражение из E=(σ-σsυ)ε0=(σ-χε0E)ε0 искомой напряженности:
E=σε0(1+χ).
Ответ: E=σε0(1+χ).
Сохранить статью удобным способом