6.6.1. а. Чем объясняется уменьшение напряженности электрического поля в веществе?
б. Что такое диэлектрическая проницаемость вещества?
в. Как зависит диэлектрическая проницаемость газа от его давления?
Решение
а. Уменьшение напряженности электрического поля в веществе объясняется поляризацией диэлектрика. При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле $\vec{E}_0$ происходит смещение электрических зарядов внутри атомов и молекул (или преимущественная ориентация уже существующих диполей). В результате на поверхностях диэлектрика появляются нескомпенсированные макроскопические связанные (поляризационные) заряды. Эти заряды создают собственное внутреннее электрическое поле $\vec{E}_{\text{пол}}$, которое направлено противоположно внешнему. По принципу суперпозиции результирующее поле $\vec{E}$ внутри вещества равно: $$\vec{E} = \vec{E}_0 + \vec{E}_{\text{пол}}$$ В скалярном виде (для модулей векторов, так как они направлены противоположно): $$E = E_0 - E_{\text{пол}}$$ Следовательно, итоговое поле внутри диэлектрика оказывается меньше внешнего.
б.Диэлектрическая проницаемость ($\varepsilon$) — это безразмерная физическая величина, показывающая, во сколько раз модуль напряженности электрического поля $E$ внутри однородного изотропного диэлектрика меньше модуля напряженности внешнего поля $E_0$ (в вакууме): $$\varepsilon = \frac{E_0}{E}$$ Для вакуума $\varepsilon = 1$, для всех диэлектриков $\varepsilon > 1$.
в. Для газов разность $(\varepsilon - 1)$ прямо пропорциональна концентрации молекул $n$: $$\varepsilon - 1 \sim n$$ Из уравнения состояния идеального газа известно, что при постоянной температуре ($T = \text{const}$) концентрация молекул прямо пропорциональна давлению: $n = \frac{P}{kT} \implies n \sim P$. Следовательно: $$\varepsilon - 1 \sim P$$ Таким образом, с ростом давления диэлектрическая проницаемость газа увеличивается, причем величина $(\varepsilon - 1)$ растет линейно.
Ответ
а. Поляризацией диэлектрика (возникновением связанного заряда, создающего встречное поле).
б. Величина, показывающая, во сколько раз напряженность поля в веществе меньше, чем в вакууме ($\varepsilon = E_0 / E$).
в. С ростом давления диэлектрическая проницаемость увеличивается (величина $\varepsilon - 1$ прямо пропорциональна давлению).