Электричество и магнетизм

Второе издание

Г. Е. ЗИЛЬБЕРМАН

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО  
и МАГНЕТИЗМ

Ã.Å. Çèëüáåðìàí
Ýëåêòðè÷åñòâî è ìàãíåòèçì: Ó÷åáíîå ïîñîáèå / Ã.Å. Çèëüáåðìàí – 2-å èçä. – Äîëãîïðóäíûé: Èçäàòåëüñêèé Äîì
«Èíòåëëåêò», 2015. – 376 ñ.

ISBN 978-5-91559-207-9

Ïðåäëàãàåìàÿ êíèãà îòëè÷àåòñÿ îò òðàäèöèîííûõ êóðñîâ ýëåêòðè÷åñòâà è ìàãíåòèçìà äåäóêòèâíûì ìåòîäîì èçëîæåíèÿ: àâòîð
ïðåæäå âñåãî äàåò îñíîâû ïðåäñòàâëåíèÿ î ïîëå, î åãî èñòî÷íèêàõ è âèõðÿõ, è ñ ïîçèöèè òåîðèè âåêòîðíîãî ïîëÿ èçëàãàåò âåñü
äàëüíåéøèé ìàòåðèàë. Òàêîå ïîñòðîåíèå êóðñà ïîçâîëÿåò ïðè
ñðàâíèòåëüíî íåáîëüøîì îáúåìå êíèãè ðàññìîòðåòü øèðîêèé
êðóã âîïðîñîâ, îõâàòûâàåìûõ ñîâðåìåííîé òåîðèåé ýëåêòðè÷åñòâà è ìàãíåòèçìà è ýëåêòðîííîé òåîðèåé. Ïîäðîáíî ðàññìîòðåíà ýëåêòðîííàÿ òåîðèÿ ìåòàëëîâ, ïîëóïðîâîäíèêîâ, äèýëåêòðèêîâ è ïëàçìû.
Ïåäàãîãè÷åñêèé òàëàíò àâòîðà ïîçâîëèë åìó èçëîæèòü ìàòåðèàë â êîìïàêòíîì ó÷åáíèêå ïàðàëëåëüíî â ãàóññîâîé ñèñòåìå
åäèíèö è â ñèñòåìå ÑÈ.
Êíèãà ðàññ÷èòàíà íà ñòóäåíòîâ ïåðâûõ êóðñîâ è ó÷èòåëåé, à
òàêæå íà øêîëüíèêîâ, èçáðàâøèõ ôèçèêó ñâîåé áóäóùåé ñïåöèàëüíîñòüþ.
Âòîðîå èçäàíèå ó÷åáíèêà øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ âî ìíîãèõ ðîññèéñêèõ óíèâåðñèòåòàõ êàê îñíîâíàÿ ëèòåðàòóðà â êóðñå îáùåé
ôèçèêè.

© 2008, íàñëåäíèêè
© 2008, ÎÎÎ «Èçäàòåëüñêèé Äîì
«Èíòåëëåêò», îðèãèíàë-ìàêåò,
îôîðìëåíèå

ISBN 978-5-91559-207-9

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ко второму изданию . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
Предисловие к первому изданию
. . . . . . . . . . . . . . . . .
8

Г л а в а I
Экспериментальные основания теории электричества и магнетизма
9

§
1. Взаимодействие тел
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
§
2. Металлы и диэлектрики
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
§
3. Электрическое поле
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
§
4. Напряженность электрического поля
. . . . . . . . . . . .
17
§
5. Магнитное поле
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
§
6. Связь между электрическим и магнитным полями
. . . . . .
25

Г л а в а II
Основы теории векторного поля
. . . . . . . . . . . . . . . . .
31

§
7. Линии векторного поля
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
§
8. Источники и вихри поля
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
§
9. Поле одних источников
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
§ 10. Поле вихрей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
§ 11. Поверхностные источники и поверхностные вихри
. . . . . .
42
§ 12. Мощность источника и вихря
. . . . . . . . . . . . . . .
44
§ 13. Скалярное и векторное произведение векторов . . . . . . . .
47

Г л а в а III
Источники и вихри электрического и магнитного полей
. . . . . .
51

§ 14. Векторы E и B
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
§ 15. Вектор электрической индукции D
. . . . . . . . . . . . .
52
§ 16. Вектор напряженности магнитного поля H
. . . . . . . . .
55
§ 17. Вихри и источники электрического и магнитного полей
. . .
59
§ 18. Граничные условия для векторов E, D, B, H
. . . . . . . .
61

Г л а в а IV
Электростатика
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63

§ 19. Электрический заряд
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
§ 20. Элементарные частицы
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
§ 21. Точечные, поверхностные и объемные заряды
. . . . . . . .
70
§ 22. Поле точечных и поверхностных зарядов
. . . . . . . . . .
72
§ 23. Поле объемных зарядов
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
§ 24. Поле электрически нейтральных систем
. . . . . . . . . . .
82
§ 25. Потенциал электростатического поля
. . . . . . . . . . . .
84
§ 26. Работа потенциального электрического поля над зарядом . . .
86

3

§ 27. Связь между потенциалом и напряженностью
. . . . . . . .
89
§ 28. Потенциальные диаграммы
. . . . . . . . . . . . . . . . .
91
§ 29. Проводники в электростатическом поле
. . . . . . . . . . .
97
§ 30. Плотность заряда на поверхности проводника
. . . . . . . .
100
§ 31. Метод изображений
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
103
§ 32. Электростатическая экранировка. Заземление
. . . . . . . .
104
§ 33. Заряд и поле Земли
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
106
§ 34. Электростатический генератор. Линейные ускорители
. . . .
107
§ 35. Емкость
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
109
§ 36. Диэлектрики. Связанные заряды на поверхностях диэлектриков
114
§ 37. Диэлектрики. Вектор поляризации P
. . . . . . . . . . . .
116
§ 38. Непосредственное измерение E и D в диэлектрике
. . . . . .
120
§ 39. Макроскопическое, микроскопическое, действующее поле
. .
121
§ 40. Сегнетоэлектрики и пьезоэлектрики
. . . . . . . . . . . . .
125
§ 41. Энергия электрического поля
. . . . . . . . . . . . . . . .
130
§ 42. Энергия взаимодействия зарядов и энергия зарядов во внешнем
поле
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
135
§ 43. Пондеромоторные силы в электрическом поле
. . . . . . . .
138
§ 44. Неустойчивость электростатических систем
. . . . . . . . .
140
§ 45. Классический радиус электрона . . . . . . . . . . . . . . .
143
§ 46. Образование атома
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
145
§ 47. Волновые свойства микрочастиц
. . . . . . . . . . . . . .
147
§ 48. Атом водорода и многоэлектронные атомы . . . . . . . . . .
151

Г л а в а V
Постоянный электрический ток
. . . . . . . . . . . . . . . . .
156

§ 49. Ток и плотность тока
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
156
§ 50. Скорость упорядоченного движения зарядов. Скорость распространения тока
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
159
§ 51. Электрическое сопротивление
. . . . . . . . . . . . . . . .
160
§ 52. Фононы
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
164
§ 53. Сверхпроводимость
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
167
§ 54. Закон Ома. Электродвижущая сила
. . . . . . . . . . . . .
171
§ 55. Связь плотности тока и напряженности поля в проводнике . .
176
§ 56. Поверхностные и объемные заряды в цепи постоянного тока
180
§ 57. Закон непрерывности тока. Первый закон Кирхгофа
. . . . .
182
§ 58. Ток смещения
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
183
§ 59. Второй закон Кирхгофа. Расчет цепей постоянного тока
. . .
185
§ 60. Работа потенциальных и сторонних сил в цепи тока
. . . . .
187
§ 61. Поток энергии внутрь и вдоль проводника
. . . . . . . . .
188

Г л а в а VI
Основы электронной теории вещества
. . . . . . . . . . . . . .
191

§ 62. Электроны проводимости
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
191
§ 63. Фермиевская энергия
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
194
§ 64. Функция распределения
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
198
§ 65. Закон дисперсии и ферми-поверхность
. . . . . . . . . . .
200
§ 66. Термоэлектронная и фотоэлектронная эмиссия из металла
. .
204
§ 67. Автоионизация и автоэлектронная эмиссия
. . . . . . . . .
210
§ 68. Контактная разность потенциалов . . . . . . . . . . . . . .
214
§ 69. Термоэлектрические явления
. . . . . . . . . . . . . . . .
220
§ 70. Энергетический спектр
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
224
§ 71. Зонный спектр электрона в кристалле . . . . . . . . . . . .
227
§ 72. Полупроводники и диэлектрики
. . . . . . . . . . . . . .
231
§ 73. Металлы
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
236

4

§ 74. Примесные полупроводники
. . . . . . . . . . . . . . . .
238
§ 75. Применение полупроводников
. . . . . . . . . . . . . . .
242
§ 76. Электрический ток через электролиты
. . . . . . . . . . . .
246
§ 77. Ионизация, рекомбинация и возбуждение атомов газа
. . . .
251
§ 78. Газовый разряд
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
254
§ 79. Плазма
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
260

Г л а в а VII
Магнитное поле
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
265

§ 80. Магнитное поле тока
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
265
§ 81. Магнитное поле движущегося заряда
. . . . . . . . . . . .
271
§ 82. Действие магнитного поля на электрический заряд
. . . . .
272
§ 83. Циклотрон
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
275
§ 84. Эффект Холла
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
277
§ 85. Электрический заряд в неоднородном магнитном поле
. . . .
279
§ 86. Действие магнитного поля на электрический ток . . . . . . .
281
§ 87. Взаимодействие токов. Взаимодействие движущихся зарядов
284
§ 88. Магнитный поток
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
286

Г л а в а VIII
Магнитные свойства вещества
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
288

§ 89. Вектор намагниченности
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
288
§ 90. Парамагнетики
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
292
§ 91. Диамагнетики
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
298
§ 92. Природа ферромагнетизма
. . . . . . . . . . . . . . . . .
300
§ 93. B и H в ферромагнетике
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
306
§ 94. Поле постоянного магнита
. . . . . . . . . . . . . . . . .
313
§ 95. Антиферромагнетики и ферриты
. . . . . . . . . . . . . .
315

Г л а в а IX
Электромагнитная индукция
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
317

§ 96. Электрическое поле, создаваемое движущимся магнитным полем
317
§ 97. Электрическое поле, создаваемое переменным магнитным полем
323
§ 98. Бетатрон
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
327
§ 99. Индукционный генератор. Униполярная машина
. . . . . .
328
§ 100.
Магнитогидродинамический генератор
. . . . . . . . . . .
331
§ 101.
Взаимная индукция и самоиндукция
. . . . . . . . . . .
333
§ 102.
Переменный ток в цепи с индуктивностью
. . . . . . . . .
337
§ 103.
Пондеромоторные силы в магнитном поле
. . . . . . . . .
343
§ 104.
Трансформатор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
346
§ 105.
Переменный ток в цепи с индуктивностью и емкостью
. . .
348
§ 106.
Колебательный контур
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
350
§ 107.
Скин-эффект
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
353

Г л а в а X
Электромагнитные волны
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
356

§ 108.
Излучение движущегося заряда
. . . . . . . . . . . . . .
356
§ 109.
Эффект Черенкова—Вавилова
. . . . . . . . . . . . . . .
358
§ 110.
Излучение колеблющегося диполя . . . . . . . . . . . . .
360
§ 111.
Излучение вибратора и антенны
. . . . . . . . . . . . .
364
§ 112.
Электромагнитные волны в пустоте и в диэлектрике
. . . .
368
§ 113.
Электромагнитные волны вдоль проводов и в волноводах
. .
371
§ 114.
Уравнения Максвелла
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
374

5

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ

Замечательная книга Г. Е. Зильбермана <Электричество
и магнетизм> издавалась только однажды сравнительно <небольшим> тиражом 70 000 экз. в 1970 г. в издательстве <Наука>.
Однако она не прошла незамеченной, и многие мои коллеги
ее помнят и даже имеют в своих личных библиотеках. В ту пору
еще не была издана книга Д. В. Сивухина <Электричество>,
и мы, студенты МФТИ тех лет, немедленно оценили книгу
Г. Е. Зильбермана, как не имевшую аналогов. С ее помощью
мы тогда успешно сдали экзамен по физике (электричество
и магнетизм).
Книга написана увлекательно и доходчивым языком.
Множество хороших рисунков, отсутствие довлеющего на
читателя изобилия математических формул и выкладок (так
характерного для современных книг по физике) делает книгу Г. Е. Зильбермана весьма привлекательной. А если учесть
высокое качество поясняющего текста, то книга становится
просто незаменимой для, например, инженера, желающего
обновить свои знания по теории электричества.
Наверное, эту книгу следует отнести к редкому разряду книг
по <качественной> физике. В этом смысле я бы ее сравнил с великолепной и очень теперь редкой книгой, изданной тогда же
издательством <Наука> (1969 г.): Л. Д. Ландау, А. И. Ахиезер,
Е. М. Лифшиц <Курс общей физики. Механика и молекулярная физика>. В самом деле: как заряжается конденсатор,
как излучает диполь Герца или даже антенна, что такое
скин-эффект, как течет ток через электролит, что такое двойной электрический слой, что такое вихрь?.. На все эти и множество других вопросов здесь можно получить исчерпывающие (для первого ознакомления) <качественные> ответы.
Прошедшие почти 40 лет со дня издания этой книги нисколько не сделали ее материал устаревшим, поскольку автор
описывал <нетленную>, классическую часть физики. С тех пор
изменились разве что написания единиц измерения электри
6

ческих величин, уточнены некоторые физические константы.
Что особенно хорошо, автор написал формулы из <электричества> в двух системах единиц: СИ и СГСЭ, что делает
книгу удобной для прочтения практически любым заинтересованным читателем.
Надо сказать, что современный студент весьма прагматичен, торопится побыстрее разобраться в каких-то вопросах,
опираясь прежде всего на математические выкладки, с трудом воспринимает <качественные> соображения, совершенно
не умеет пользоваться наглядными средствами в своих рассуждениях, такими как рисунки и графики. На мой взгляд эта
книга как раз восполняет такой пробел — учит, дает великолепные образцы владения <техникой> объяснения сложнейших физических явлений и вещей.
Книга будет несомненно полезной для учителей и вузовских преподавателей физики, для студентов технических, педагогических и даже физико-технических вузов, а также для
старшеклассников, желающих поглубже разобраться и понять
физику электричества и магнетизма.

В. А. Овчинкин

ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ

Современное учение об электричестве и магнетизме основано на уравнениях Максвелла, определяющих поля через
их источники и вихри. В вузовских курсах общей физики,
и тем более в школьных учебниках, об этих понятиях векторного анализа не говорится совсем. Из-за этого остается
неясным смысл даже таких фундаментальных величин, как
напряженности электрического и магнитного полей, векторы
магнитной и электрической индукции. Однако современная
теория электричества и магнетизма является одной из наиболее детально разработанных частей физики и вполне может
быть изложена наглядно и вместе с тем достаточно строго.
В предлагаемой книге делается попытка такого изложения.
Первые три главы содержат обзор основных понятий электричества и магнетизма. В остальных главах детально рассмотрен широкий круг вопросов электричества и магнетизма,
в частности современной электронной теории металлов, полупроводников и плазмы. Главное внимание уделено не математическим выводам, а разъяснению качественной, физической
стороны вопроса. Задача такого изложения очень трудна, и
книга поэтому не может быть лишена множества недостатков.
Замечания читателей будут встречены с благодарностью.
В каждом параграфе имеются ссылки на материал, изложенный ранее. Формулы записываются параллельно в
системах СИ и СГС (гауссовой).
Книга рассчитана на студентов первых курсов университетов, технических вузов, на учителей физики, а также
на учащихся старших классов специализированных физико-математических школ.
Автор весьма признателен Ф. И. Ицковичу, М. Я. Минцу,
Ю. А. Соколовичу и своим рецензентам: проф. М. И. Каганову,
проф. Б. М. Яворскому и М. И. Блудову за доброжелательную
критику и множество ценных замечаний.
Г. Зильберман

8

Г Л А В А I

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВАНИЯ
ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И МАГНЕТИЗМА

§ 1. Взаимодействие тел

В основе всех физических явлений лежит взаимодействие
между телами или частицами, участвующими в этих явлениях.
Земля движется вокруг Солнца из-за того, что взаимодействует
с ним. Этим взаимодействием является притяжение Земли
и Солнца по закону всемирного тяготения. Притяжение или
отталкивание двух электрических зарядов — это их электрическое взаимодействие.Отталкивание или притяжение магнитных
полюсов или токов — это магнитное взаимодействие.Столкновение биллиардных шаров, сжатие человеком пружины, давление подошвы на землю — все это примеры взаимодействия тел.
Согласно представлениям современной физики всякое
взаимодействие передается через некоторое поле. Земля взаимодействует с Солнцем через гравитационное поле. Солнце
создает гравитационное поле, которое действует на Землю.
Земля, в свою очередь, создает поле, которое действует на
Солнце. Это второе поле гораздо слабее первого, но зато помещенное в него тело (Солнце) гораздо больше. В результате
оказывается, что силы, действующие на оба тела, равны в
соответствии с третьим законом Ньютона.
Электрические заряды взаимодействуют через электрическое поле, которое они создают, магниты и электрические
токи — через магнитное поле. Частицы в атомном ядре —
протоны и нейтроны — взаимодействуют через так называемое π-мезонное поле. Каждая частица создает поле, и это
поле уже действует на другую частицу.
Если всякое взаимодействие передается через поле, то
спрашивается, через какое же поле взаимодействуют рука и

9

камень, пружина и связывающая ее веревка, биллиардные
шары, подошва и земля, т. е. чем объясняется существование
обычных сил, возникающих при соприкосновении предметов? Оказывается, это электромагнитное взаимодействие.
Атомы соприкасающихся тел сближаются на расстояния
порядка
размеров
самих
атомов.
Быстро
вращающиеся
вокруг ядер отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ядра создают электромагнитное поле,
которое
и
осуществляет
взаимодействие
при
соприкосновении.
Но не только взаимодействие между различными телами,
а и само существование твердых и жидких тел обусловлено
взаимодействием между атомами. Именно благодаря этому
взаимодействию твердые и жидкие тела не распадаются на
отдельные атомы.

§ 2. Металлы и диэлектрики

Металлы. Валентные электроны металла слабо связаны
со своими атомами. Когда атомы металла, конденсируясь из
металлического пара, образуют жидкий или твердый металл,
внешние электроны оказываются уже не связанными с отдельными атомами и могут свободно перемещаться по всему
телу. Эти электроны обусловливают хорошо известную значительную проводимость металлов, они так и называются
электронами проводимости.
Атомы металла, лишенные своих валентных электронов,
т. е. положительные ионы, составляют кристаллическую решетку. В кристаллической решетке ионы совершают хаотические колебания около своих положений равновесия,
называемых узлами решетки. Эти колебания представляют
собой тепловое движение решетки и усиливаются с повышением температуры.
Электроны проводимости в отсутствие электрического поля
в металле совершают беспорядочное движение со скоростями порядка тысяч километров в секунду. При приложении напряжения к металлическому проводнику электроны
проводимости, не ослабляя своего хаотического движения,

10

сравнительно
медленно
<сносятся>
электрическим
полем
вдоль проводника. При таком сносе все электроны получают,
дополнительно
к
хаотической
скорости,
еще
и
небольшую скорость упорядоченного движения (порядка,
например, миллиметров в секунду). Именно это слабое упорядоченное движение и обусловливает электрический ток
в проводнике.
Диэлектрики. Совсем иначе обстоит дело в других веществах, которые носят название изоляторов (на языке
физики — диэлектриков). В диэлектриках атомы точно так
же колеблются вокруг положений равновесия, как и в металлах, но они имеют полный комплект электронов. Внешние
электроны атомов диэлектрика сильно связаны со своими
атомами, и разлучить их не так-то просто. Для этого нужно
значительно поднять температуру диэлектрика или подвергнуть его какому-нибудь интенсивному облучению, которое
смогло бы оторвать электроны от атомов. В обычном же
состоянии электронов проводимости в диэлектрике нет, и
диэлектрики не пропускают тока.
Большая часть диэлектриков является не атомными, а
молекулярными кристаллами или жидкостями. Это значит,
что в узлах решетки находятся не атомы, а молекулы. Многие молекулы состоят из двух групп атомов или просто из
двух атомов, один из которых электрически положителен,
а другой отрицателен (такие молекулы называются полярными). Например, у молекулы воды положительной частью
являются оба атома водорода, а отрицательной — атом кислорода, около которого большую часть времени вращаются
электроны водородных атомов.
Два заряда, равные по величине, но противоположные по
знаку, находящиеся на очень малом расстоянии друг от друга, называются диполем. Полярные молекулы представляют
собой пример диполей. Если молекулы не состоят из противоположных по заряду ионов (заряженных атомов), т. е.
не являются полярными и не представляют собой диполей,
то они становятся диполями под действием электрического
поля. Электрическое поле тянет положительные заряды, входящие в состав молекулы (например, ядра), в одну сторону,

11

Рис. 1

а отрицательные — в другую и, раздвигая их, создает диполи.
Такие диполи называются упругими — поле растягивает
их, как пружину. Поведение диэлектрика с неполярными
молекулами мало отличается от поведения диэлектрика с
полярными молекулами, и в дальнейшем мы всегда будем
считать, что молекулы диэлектрика являются диполями.
Если кусок диэлектрика поместить в электрическое поле,
т. е. поднести к диэлектрику электрически заряженное тело,
обладающее, например, положительным зарядом, отрицательные концы молекул-диполей будут притягиваться к этому
заряду, а положительные — отталкиваться. Из-за этого молекулы-диполи будут поворачиваться. Этот поворот называют
ориентацией. Ориентация не представляет собой полного поворота всех молекул диэлектрика. Взятая наугад молекула
в данный момент может оказаться повернутой против поля,
и только в среднем у большого числа молекул существует
слабая ориентация в сторону поля (т. е. больше молекул повернуто в сторону поля, чем в противоположную сторону).
Ориентации препятствует тепловое движение — хаотические
колебания молекул вокруг их положений равновесия. Чем ниже
температура, тем сильнее ориентация молекул, вызываемая
данным полем. С другой стороны, при данной температуре
ориентация, естественно, тем сильнее, чем больше поле.
Поляризация диэлектрика. В результате ориентации молекул диэлектрика на поверхность его, обращенную к положительному заряду (рис. 1), выступают отрицательные концы молекул-диполей, а на противоположную поверхность —
положительные. На поверхностях диэлектрика образуются
электрические заряды. Эти заряды носят название поляризационных, а их возникновение
называется процессом поляризации диэлектрика.
Как следует из изложенного
выше, поляризация, в зависимости от вида диэлектрика, может
быть ориентационной (ориентируются готовые молекулы-диполи) и деформационной, или поля
12

ризацией электронного смещения (молекулы в электрическом поле деформируются, превращаясь в диполи).
Может возникнуть вопрос, почему поляризационные заряды образуются только на поверхностях диэлектрика, а не
внутри его? Объясняется это тем, что внутри диэлектрика положительные и отрицательные концы молекул-диполей как
раз компенсируют друг друга. Компенсация будет отсутствовать только на поверхностях диэлектрика или на границе раздела двух диэлектриков, а также в неоднородном диэлектрике.
Если диэлектрик поляризован, то это не значит, что он
заряжен, т. е. что он имеет в целом электрический заряд.
При поляризации общий заряд диэлектрика не меняется.
Однако диэлектрику можно сообщить заряд, перенося на
него некоторое количество электронов извне или забирая некоторое число его собственных электронов. В первом случае диэлектрик зарядится отрицательно, а во втором — положительно.
Такую электризацию можно произвести, например, путем трения. Если потереть стеклянную палочку о шелк, то
палочка и шелк зарядятся противоположными по знаку зарядами (стекло — положительно, шелк — отрицательно)*).
У стеклянной палочки при этом будет отобрано некоторое
число электронов (весьма малая доля общего числа электронов, принадлежащих всем атомам стеклянной палочки, —
что-нибудь около 10−11—10−17).
Итак, в металлах и других проводниках (например, электролитах) заряды могут свободно перемещаться по всему телу.
Диэлектрики же не обладают проводимостью и в них заряды
не могут перемещаться на макроскопические (т. е. большие
по сравнению с размерами атомов и молекул) расстояния.
В электрическом поле диэлектрик только поляризуется.
Классификация зарядов. Заряды, перемещающиеся в
проводниках, а также наносимые извне на диэлектрик, мы
будем называть свободными, а поляризационные заряды, выступающие на поверхностях диэлектрика, — связанными.

*) Электризация при трении происходит из-за того, что при контакте
двух разнородных веществ некоторое число электронов переходит из одного
вещества в другое, трение же увеличивает площадь контакта между соприкасающимися телами.

13