Решение на момент правки #20863 от , автор Valter. Это не текущая версия.

Условие

6.6.26. Конденсатор заполнен диэлектриком и заряжен до разности потенциалов . Обкладки соединяют друг с другом на очень короткое время. Когда разность потенциалов уменьшилась в три раза, обкладки разъединили. После этого разность потенциалов медленно возрастает до своего первоначального значения. Как можно объяснить этот эффект? Найдите диэлектрическую проницаемость вещества, заполняющего конденсатор.

К задаче $6.6.26$
К задаче

Решение

Работа конденсатора строится на двух эффектах. В "пустом" конденсаторе (без диэлектрика) поле внутри создаётся за счёт накопления заряда на обкладках. Ёмкость такого конденсатора равна

Если вставить между обкладок диэлектрик, часть поля будет обусловлено его поляризованностью - одинаковой ориентацией элементарных диполей в среде. Ёмкость такого конденсатора равна

Идея задачи в том, что при замыкании конденсатора свободные заряды перетекают практически мгновенно, а для переорентации диполей в диэлектрике нужно больше времени.

Начальная напряжённость поля в конденсаторе:

Начальная плотность свободного заряда на обкладках:

Плотность связанного (поляризационного) заряда на поверхности диэлектрика в начальный момент:

При замыкании свободные заряды перераспределяются практически мгновенно, а связанные заряды не успеввают измениться. Пусть после этого плотность свободного заряда стала равна . По условию, разность потенциалов уменьшилась в 3 раза, значит напряжённость поля стала

Поле внутри диэлектрика определяется как сумма полей свободного и связанного зарядов. Помня, что эти поля направлены противоположно:

Отсюда оставшийся на обкладках свободный заряд:

После разъединения обкладок свободный заряд остаётся постоянным. Однако диполи диэлектрика начинают постепенно дезориентироваться, связанный заряд уменьшается, а поле внутри конденсатора растёт. По условию, когда поляризация полностью установится в соответствии с новым полем, разность потенциалов достигает . Тогда конечная напряжённость поля:

В равновесном состоянии справедливо:

Приравниваем два выражения для :

Ответ

Дипольные моменты в диэлектрике ориентируются в электрическом поле с запаздыванием; .