ВОПРОСЫ. 1. Электростатическое поле в веществе

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 15

1. Электростатическое поле в веществе. Вектор поляризации, электрическая индукция. Граничные условия.

Электростатическое поле в веществе. При внесении тела в электрическое поле легкие электроны испытывают смещения против поля. Смещения атомных ядер по сравнению с ними пренебрежимо малы. Происходит частичное разделение положительных и отрицательных зарядов. Разделенные заряды (индуцированные заряды) создаю дополнительное электрическое поле, накладываясь на внешнее.

Проводник

Проводник - это тело в котором имеются свободные носители заряда (электроны).

Внутри проводника электрическое поле должно быть равно нулю.-> заряды индуцируются на поверхности проводника.

Диэлектрик

Вещество, плохо проводящее или совсем не проводящее электрический ток.

При внесение в электрическое поле диэлектрик поляризуется против электрического поля.

В случае, если внутри уже существуют дипольные молекулы - они упорядочиваются вдоль направления поля.

При наложении электрического поля в ионном кристалле решетка положительных ионов сдвигается в одну сторону, отрицательных - в другую.

Электрическое поле внутри диэлектриков ослабевает.

Вектор поляризации — векторная физическая величина, равная дипольному моменту единицы объёма вещества, возникающему при его поляризации, количественная характеристика диэлектрической поляризации^[1].

Обозначается буквой , в Международной системе единиц (СИ) измеряется в Кл/м².

Диэлектрическая поляризация обусловлена смещением связанных зарядов вещества во внешнем электрическом поле относительно их расположения при отсутствии внешнего электрического поля. Если выделить какой-либо объём в диэлектрике, то в результате приложения поля на его поверхности могут возникнуть поверхностные электрические заряды . Такие заряды могут возникнуть или благодаря смещению электронной оболочки относительно ядра атома, или же в результате переориентации молекул, которые имеют собственный дипольный момент.

Нормальную к поверхности составляющую вектора поляризации определяют как

где — орт нормали к поверхности.

Можно ввести вектор электрической индукции , который удобен при описании электрического поля в сплошной среде:

(СИ)

(СГС)

В основном зависимость между вектором поляризации и электрическим полем, которое обусловило поляризацию, линейна и задается тензором поляризуемости.

.

Определённые вещества могут быть поляризованными при отсутствии электрического поля. К таким веществам относятся пироэлектрики — кристаллические веществасо спонтанной поляризацией и электреты — аморфные вещества, в которых наведённая полем поляризация может сохраняться на протяжении длительного времени.

В случае переменного электрического поля среда может реагировать на изменение поля с некоторым запозданием. В этом случае вектор поляризации в данный момент зависит от напряжённости приложенного электрического поля в предыдущие моменты времени. В таких случаях говорят о временно́й дисперсии и соотношения между вектором поляризации и электромагнитным полем выглядят как

.

Фурье-образы вектора поляризации и напряжённости электрического поля в таком случае связаны линейным соотношением: , где

.

Если электромагнитное поле неоднородно в пространстве, как, например, в случае распространения электромагнитных волн, и взаимодействует с возбуждениями в веществе, которые имеют длину волны порядка длины электромагнитной волны, то значение поляризации в определённой точке пространства зависит от значения напряжённости электрического поля в соседних точках пространства. В таких случаях говорят о пространственной дисперсии (укр.)русск..

.

В сильных электрических полях зависимость между поляризацией и электрическим полем может отличаться от линейной. Явления, которые при этом возникают изучаются, например, в нелинейной оптике.

Электри́ческая инду́кция (электри́ческое смеще́ние) — векторная величина, равная сумме вектора напряжённости электрического поля ивектора поляризации.

В СИ: .

В СГС: .

Величина электрической индукции в системе СГС измеряется в СГСЭ или СГСМ единицах, а в Международной системе единиц (СИ) — вкулонах на м² (L⁻²TI). В рамках СТО векторы и объединяются в единый тензор, аналогичный тензору электромагнитного поля.

Уравнения для вектора индукции в СГС имеют вид (2-я пара уравнений Максвелла)

Здесь — плотность свободных зарядов, а — плотность тока свободных зарядов. Введение вектора , таким образом, позволяет исключить из уравнений Максвелла неизвестные молекулярные токи и поляризационные заряды.

Для полного определения электромагнитного поля уравнения Максвелла необходимо дополнить материальными уравнениями, связывающими векторы и (а также и ) в веществе. В вакууме эти векторы совпадают, а в веществе связь между ними зачастую предполагают линейной:

Величины образуют тензор диэлектрической проницаемости. В принципе, он может зависеть как от точки внутри тела, так и от частоты колебаний электромагнитного поля. В изотропных средах тензор диэлектрической проницаемости сводится к скаляру, называемому также диэлектрической проницаемостью. Материальные уравнения для приобретают простой вид

Возможны среды, для которых зависимость между и является нелинейной (в основном — сегнетоэлектрики).

Дата добавления: 2015-08-31