Номер 4, страница 325 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Электростатика. Глава 8. Свойства электрического поля. Параграф 39. Проводники и диэлектрики в электростатическом поле - номер 4, страница 325.

Условие.

4. Расскажите о связанных зарядах.

Решение.

Решение

Связанные (или поляризационные) заряды — это электрические заряды, возникающие в объеме или на поверхности диэлектрика при его поляризации во внешнем электрическом поле. В отличие от свободных зарядов (например, электронов проводимости в металлах), связанные заряды не могут свободно перемещаться по всему объему вещества. Они остаются локализованными в пределах своих атомов или молекул.

Механизм возникновения связанных зарядов заключается в явлении поляризации диэлектрика. В отсутствие внешнего электрического поля диэлектрик в целом нейтрален. Процесс поляризации различается для двух типов диэлектриков:

1. В неполярных диэлектриках, молекулы которых не имеют собственного дипольного момента, под действием внешнего поля $ \vec{E} $ происходит деформация электронных орбит и смещение центров положительных (ядра) и отрицательных (электронные облака) зарядов друг относительно друга. В результате каждая молекула приобретает наведенный дипольный момент, и диэлектрик поляризуется.

2. В полярных диэлектриках, молекулы которых обладают постоянным дипольным моментом (например, молекула воды $H_2O$), внешнее поле вызывает преимущественную ориентацию этих хаотично расположенных диполей вдоль направления поля. Это также приводит к появлению у всего образца макроскопического дипольного момента.

В результате поляризации на поверхностях диэлектрика, перпендикулярных силовым линиям внешнего поля, возникают нескомпенсированные макроскопические заряды. Внутри однородно поляризованного диэлектрика положительные и отрицательные заряды соседних диполей компенсируют друг друга, и суммарный заряд равен нулю. Однако на одной поверхности образца образуется избыточный положительный заряд, а на другой — избыточный отрицательный. Эти заряды называются поверхностными связанными зарядами.

Если же поляризация диэлектрика неоднородна (вектор поляризации меняется от точки к точке), то компенсация зарядов внутри объема может быть неполной. В этом случае, помимо поверхностных, возникают и объемные связанные заряды.

Для количественного описания поляризации вводят вектор поляризации (поляризованность) $ \vec{P} $, равный дипольному моменту единицы объема диэлектрика. Плотность поверхностных связанных зарядов $ \sigma_{св} $ и объемных связанных зарядов $ \rho_{св} $ выражается через вектор $ \vec{P} $ следующими формулами:
Поверхностная плотность: $ \sigma_{св} = (\vec{P} \cdot \vec{n}) = P_n $, где $ \vec{n} $ — единичный вектор внешней нормали к поверхности диэлектрика.
Объемная плотность: $ \rho_{св} = -\nabla \cdot \vec{P} $, где $ \nabla \cdot \vec{P} $ — дивергенция вектора поляризации.

Важнейшим свойством связанных зарядов является то, что они создают собственное внутреннее электрическое поле $ \vec{E'} $, которое направлено против внешнего поля $ \vec{E}_0 $. В результате результирующее поле внутри диэлектрика $ \vec{E} = \vec{E}_0 + \vec{E'} $ оказывается ослабленным по сравнению с внешним полем.

Ответ: Связанные заряды — это макроскопические электрические заряды, которые появляются на поверхности и/или в объеме диэлектрика при его помещении во внешнее электрическое поле. Они возникают вследствие поляризации вещества (смещения или ориентации микроскопических диполей), но, в отличие от свободных зарядов, не могут перемещаться по всему объему. Связанные заряды создают собственное электрическое поле, направленное против внешнего поля и ослабляющее его внутри диэлектрика.