25.9:

Prawo Gaussa w dielektrykach

JoVE Core
Fizyka
Aby wyświetlić tę treść, wymagana jest subskrypcja JoVE.  Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
JoVE Core Fizyka
Gauss’s Law in Dielectrics
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

3,938 Views

01:17 min
September 18, 2023

Rozważmy dielektryk biegunowy umieszczony w polu zewnętrznym. W takim dielektryku przeciwstawne ładunki na sąsiednich dipolach neutralizują się nawzajem, tak że ładunek wypadkowy w dielektryku wynosi zero. Gdy biegunowy dielektryk jest wprowadzany między płytki kondensatora, generowane jest pole elektryczne z powodu obecności ładunków netto w pobliżu krawędzi granicy faz dielektryka i metalowych płytek. Ponieważ zewnętrzne pole elektryczne jedynie wyrównuje dipole, dielektryk jako całość jest neutralny. Na powierzchni dielektryka indukowana jest równa wielkość związanych ładunków o przeciwnej biegunowości. Te indukowane ładunki wytwarzają dodatkowe pole elektryczne, które przeciwstawia się poprzedniemu polu zewnętrznemu.

Podobny efekt powstaje, gdy cząsteczki dielektryka są niepolarne. Cząsteczka niepolarna uzyskuje indukowany moment elektryczno-dipolowy, ponieważ pole zewnętrzne powoduje separację między jej ładunkami dodatnimi i ujemnymi. Indukowane dipole cząsteczek niepolarnych wyrównują się z zewnętrznym polem elektrycznym w taki sam sposób, jak stałe dipole cząsteczek polarnych. W związku z tym pole elektryczne w dielektryku słabnie, niezależnie od tego, czy jego cząsteczki są polarne, czy niepolarne.

Kondensator wypełniony dielektrykiem składa się z pola elektrycznego spowodowanego swobodnymi ładunkami na płytkach kondensatora oraz pola elektrycznego spowodowanego ładunkami indukowanymi na powierzchniach dielektrycznych. Ich suma wektorowa daje pole elektryczne netto w dielektryku między płytkami kondensatora. To pole netto jest wytwarzane przez ładunek efektywny, który jest równy różnicy między ładunkiem netto a ładunkiem powierzchniowym. Ponieważ efektem dielektryka jest osłabienie pierwotnego pola o czynnik stałej dielektrycznej, składnik pola elektrycznego w prawie Gaussa jest zastępowany przez iloczyn pola elektrycznego i stałej dielektrycznej, co daje zmodyfikowane prawo Gaussa w dielektrykach.