Номер 5, страница 100 - гдз по физике 8 класс учебник Кронгарт, Насохова

5. Как происходит поляризация диэлектрика?

5. Как происходит поляризация диэлектрика?

Решение

Поляризация диэлектрика — это явление, возникающее при помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле, и заключающееся в смещении связанных электрических зарядов внутри вещества. В диэлектриках, в отличие от проводников, нет свободных носителей заряда, которые могли бы перемещаться по всему объему. Заряды в диэлектриках (электроны в атомах, ионы в кристаллических решетках) являются связанными. Механизм поляризации зависит от строения молекул диэлектрика.

Существует несколько основных механизмов поляризации:

1. Электронная (деформационная) поляризация.
Этот механизм характерен для неполярных диэлектриков, молекулы которых в отсутствие поля не имеют дипольного момента (например, $O_2$, $N_2$, $H_2$, атомы инертных газов). В таких молекулах центры распределения положительных зарядов (ядер) и отрицательных зарядов (электронных облаков) совпадают. Под действием внешнего электрического поля $\vec{E_0}$ электронные облака смещаются против направления поля, а ядра — по направлению поля. В результате атом или молекула деформируется и превращается в электрический диполь, то есть приобретает индуцированный дипольный момент, направленный вдоль внешнего поля.

2. Ориентационная (дипольная) поляризация.
Этот механизм свойственен полярным диэлектрикам, молекулы которых обладают собственным дипольным моментом даже в отсутствие внешнего поля (например, $H_2O$, $NH_3$, $HCl$). Это связано с асимметричным строением молекул. В отсутствие поля эти диполи ориентированы хаотично из-за теплового движения, поэтому суммарный дипольный момент всего диэлектрика равен нулю. При внесении в электрическое поле на каждый диполь начинает действовать вращающий момент, стремящийся сориентировать его вдоль силовых линий поля. Полного выстраивания не происходит из-за противодействия теплового движения, но возникает преимущественная ориентация диполей в направлении поля.

3. Ионная поляризация.
Этот механизм наблюдается в диэлектриках с ионной кристаллической решеткой (например, поваренная соль $NaCl$). Кристалл состоит из двух подрешеток, образованных положительными и отрицательными ионами. Под действием внешнего электрического поля подрешетка положительных ионов смещается по направлению поля, а подрешетка отрицательных ионов — в противоположном направлении. Это смещение приводит к возникновению дипольного момента у каждой элементарной ячейки кристалла и, как следствие, у всего образца.

Во всех случаях в результате поляризации на поверхностях диэлектрика, перпендикулярных вектору напряженности внешнего поля, появляются нескомпенсированные связанные заряды (положительные на одной поверхности и отрицательные на другой). Эти заряды создают внутри диэлектрика собственное электрическое поле $\vec{E'}$, направленное навстречу внешнему полю $\vec{E_0}$. В итоге результирующее поле внутри диэлектрика $\vec{E}$ оказывается ослабленным по сравнению с внешним полем: $E = E_0 - E'$. Степень ослабления поля характеризуется диэлектрической проницаемостью среды $\epsilon$: $E = \frac{E_0}{\epsilon}$.

Ответ: Поляризация диэлектрика происходит за счет смещения связанных зарядов под действием внешнего электрического поля. В зависимости от типа диэлектрика это может быть деформация электронных оболочек атомов (электронная поляризация), ориентация полярных молекул вдоль поля (ориентационная поляризация) или смещение ионных подрешеток в кристаллах (ионная поляризация). Результатом поляризации является возникновение внутри диэлектрика внутреннего электрического поля, которое направлено против внешнего и ослабляет его.