Проводники в электрическом поле. В ряде веществ, называемых проводниками , существуют заряженные частицы, способные перемещаться по объему проводника под действием сколь угодно слабого внешнего электрического поля. В наиболее привычных в быту проводниках — металлах — подвижными носителями являются свободные электроны, оторвавшиеся от внешних оболочек атомов и образующие отрицательно заряженный «электронный газ», заполняющий промежутки между положительно заряженными ионами . Под действием электрического поля свободные электроны способны перемещаться. Кроме того, эти электроны участвуют в тепловом движении, и газ свободных электронов можно охарактеризовать определенной температурой.
После включения внешнего электрического поля происходит достаточно быстрое смещение электронов против силовых линий поля (возникает кратковременный ток), после чего устанавливается равновесное распределение зарядов по поверхности проводника, обеспечивающее равенство нулю электрического поля внутри проводника. Кроме того, равен нулю и полный заряд любой области внутри проводника . Все неподвижные заряды могут находиться только на поверхности проводника.
Диэлектрики во внешнем поле. Электрически заряженные частицы — электроны и ядра — в диэлектриках связаны друг с другом, образуя электрически нейтральные атомы. Поэтому внутри диэлектриков нет свободных носителей заряда . Однако, при внесении во внешнее электрическое поле диэлектрик искажает это поле, а следовательно, в нем возникает внутреннее электрическое поле, которое индуцируется внешним полем. Всякое поле создается какими-то зарядами, следовательно, внутри диэлектрика при внесении его во внешнее поле появляются заряды. Однако в отличие от свободных зарядов в металле заряды в диэлектриках называются связанными .
Феноменологическое описание свойств диэлектриков. В эксперименте по внесению диэлектрической пластины между обкладками плоского конденсатора можно убедиться, что изменение напряжения на обкладках зависит от свойств вещества диэлектрика. По определению диэлектрической проницаемостью e называют отношение потенциала U 0 на обкладках в пустоте к потенциалу U на обкладках при внесенном диэлектрике :
(7.1)
Как показывает опыт, всегда U 0 /U > 1 , поэтому e > 1 .
Диэлектрическая проницаемость является феноменологическим (берущимся из опыта) параметром, описывающим свойства диэлектриков. Вычисление e для конкретного вещества возможно только с помощью какой-то модели строения этого вещества и в большинстве случаев представляет достаточно сложную задачу. Приведенное определение верно только для однородного вещества.
Так как в плоском конденсаторе U = Ed , то можно дать другое определение диэлектрической проницаемости:
Иными словами, при внесении диэлектрика поле между пластинами плоского конденсатора ослабляется в e : E = E 0 / e .
Используя определение электроемкости С = q/U , можно убедиться, что
т. е. емкость конденсатора увеличивается при внесении в него диэлектрика.
Энергия, запасенная в плоском конденсаторе, уменьшается в e раз при внесении диэлектрика между пластинами:
