Номер 7, страница 265 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

7. Почему незаряженные куски диэлектрика притягиваются к заряженным телам?

7. Незаряженные куски диэлектрика притягиваются к заряженным телам из-за явления электростатической индукции, или, более точно, поляризации диэлектрика. Процесс можно объяснить следующим образом:

1. Создание поля. Заряженное тело (например, положительно заряженная палочка) создает вокруг себя электрическое поле.

2. Поляризация диэлектрика. Когда незаряженный диэлектрик помещается в это поле, оно воздействует на связанные заряды внутри атомов или молекул диэлектрика. Положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электронные облака смещаются в противоположные стороны под действием сил поля. Положительные заряды смещаются в направлении вектора напряженности поля (от палочки), а отрицательные — против (к палочке).

3. Возникновение индуцированных зарядов. В результате этого смещения на поверхности диэлектрика, ближайшей к заряженному телу, образуется избыток зарядов противоположного знака (в нашем примере — отрицательного), а на дальней поверхности — избыток зарядов того же знака (положительного). Эти заряды называются индуцированными или связанными. Важно отметить, что в целом диэлектрик остается электрически нейтральным.

4. Взаимодействие сил. Заряженное тело притягивает к себе индуцированные заряды противоположного знака на ближней стороне диэлектрика и отталкивает индуцированные заряды того же знака на дальней стороне.

5. Результирующая сила. Согласно закону Кулона, сила взаимодействия между зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними ($F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$). Поскольку индуцированные заряды противоположного знака находятся ближе к заряженному телу, чем заряды того же знака, сила притяжения оказывается сильнее силы отталкивания. Следовательно, результирующая сила, действующая на диэлектрик, направлена в сторону заряженного тела, то есть является силой притяжения.

Ответ: Притяжение незаряженного диэлектрика к заряженному телу объясняется явлением поляризации. В электрическом поле заряженного тела в диэлектрике происходит перераспределение зарядов, в результате чего на его ближней стороне возникает индуцированный заряд противоположного знака, а на дальней — того же знака. Сила притяжения к ближним зарядам оказывается больше силы отталкивания от дальних, что и создает суммарную силу притяжения.

8. Поляризация диэлектриков — это возникновение у них дипольного момента под действием внешнего электрического поля. Существуют различные физические механизмы, приводящие к поляризации. Основными из них являются:

1. Электронная (деформационная) поляризация. Этот механизм присутствует во всех диэлектриках. Он заключается в деформации электронных оболочек атомов или ионов под действием внешнего электрического поля. Центр отрицательного заряда (электронного облака) смещается относительно центра положительного заряда (ядра), в результате чего даже неполярный атом или молекула приобретает индуцированный дипольный момент, ориентированный по направлению поля. Этот процесс очень быстрый (происходит за время порядка $10^{-16} – 10^{-15}$ с) и практически не зависит от температуры.

2. Ориентационная (дипольная) поляризация. Этот механизм характерен для полярных диэлектриков, молекулы которых (например, H₂O, HCl, NH₃) изначально обладают постоянным дипольным моментом. В отсутствие внешнего поля эти диполи из-за теплового движения ориентированы хаотично, и их суммарный дипольный момент равен нулю. Внешнее электрическое поле создает вращающий момент, который стремится повернуть диполи и выстроить их вдоль поля. Тепловое движение препятствует полной ориентации, поэтому устанавливается лишь преимущественная ориентация диполей. Степень поляризации сильно зависит от температуры (уменьшается с ростом температуры) и от напряженности поля. Этот процесс медленнее электронного.

3. Ионная поляризация. Этот механизм проявляется в диэлектриках с ионной кристаллической решеткой (например, в солях типа NaCl). Решетка таких кристаллов состоит из двух подрешеток, образованных положительными и отрицательными ионами. Под действием внешнего электрического поля подрешетка положительных ионов смещается по полю, а подрешетка отрицательных — против поля. Это относительное смещение целых подрешеток приводит к возникновению макроскопического дипольного момента во всем кристалле. Ионная поляризация, как и электронная, практически не зависит от температуры.

В большинстве диэлектриков могут одновременно существовать несколько механизмов поляризации.

Ответ: Основные механизмы поляризации диэлектриков: электронная (смещение электронных оболочек относительно ядер), ориентационная (поворот полярных молекул в электрическом поле) и ионная (смещение подрешеток положительных и отрицательных ионов в кристаллах).