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物理代写|电磁学代写electromagnetism代考|Comparison Between Dielectric Materials

To know about the differences between dielectric and conducting materials, we can consider their behavior in electric fields. In particular, we have shown in Fig. $4.7$ a conducting and dielectric sheet between the parallel plates in which a potential difference exists. That is, there are an equal amount of opposite charges on the two plates.

In the conducting sheet, the conducting electrons are free to move, and they establish a surface charge which exactly cancels the electric field within the conductor, as shown in Fig. 4.7. That is, the surface charge density of the plates and conducting sheet is the same but with opposite sign. On the other hand, the electrons in the dielectric material are bound to atoms, and the external electric field causes only a displacement of the electronic configuration of atoms (see Fig. 4.7). However, it is sufficient to produce some surface charge with density $\sigma_{i n d}$ (called an induced charge). We say that the dielectric is polarized. Note that the surface charge is not able to cancel the external electric field within the sheet; however, it does reduce. In the following, we will introduce a simplified molecular theory of dielectrics to understand the behavior of dielectric materials in the presence of an external electric field. ${ }^1$ A more complicated, but more precise theory, will be introduced in the following sections, accounting for electric polarization of the ponderable media. ${ }^2$

物理代写|电磁学代写electromagnetism代考|Molecular Theory of Dielectrics

Consider a dielectric material placed in the electric field between the plates of a capacitor. The dielectric material is made up of polar molecules. Note that dielectric material can also be made up of the nonpolar molecules, which can be polarized in the presence of the external electric fields. In the dielectric made up of polar molecules. the permanent dipoles of molecules are also called permanent dipoles. For dielectrics made up of nonpolar molecules, the dipoles created due to polarization are called induced dipoles.

The permanent dipoles in the dielectric arising from the polar molecules of the dielectric material are randomly distributed and oriented in the absence of an electric field, as shown in Fig. 4.8. When an external field $\mathbf{E}_0$ applies, for example, created by charges on the capacitor plates, the forces exerted on the dipoles produce torques, causing them to align almost in the direction of the field. We can say that the dielectric is polarized; that is, macroscopic charge separation occurs. The degree of alignment of molecules with an electric field depends on temperature and the magnitude of the field. In general, the alignment increases with decreasing temperature and with increasing electric field. If the molecules of the dielectric are nonpolar, then the electric field due to the plates produces some charge separation and an induced dipole moment. These induced dipole moments tend to align with the external field, and the dielectric is polarized.

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电磁学代考

物理代写|电磁学代写electromagnetism代考|Comparison Between Dielectric Materials

为了了解电介质和导电材料之间的差异,我们可以考虑它们在电场中的行为。特别是,我们在图4.7中显示了平行板之间的导电和介电片,其中存在着电位差。也就是说,两块板子上有相等数量的相反电荷。

如图4.7所示,在导电片中,导电电子可以自由移动,它们建立了一个表面电荷,正好抵消了导体内的电场。也就是说,板块和导电片的表面电荷密度是相同的,但符号相反。另一方面,电介质材料中的电子被束缚在原子上,外部电场只引起原子电子构型的位移(见图4.7)。然而,这足以产生一些密度为$sigma_{i n d}$的表面电荷(称为诱导电荷)。我们说,电介质是极化的。请注意,表面电荷并不能抵消片内的外部电场;然而,它确实会减少。在下文中,我们将介绍一个简化的电介质分子理论,以了解电介质材料在外部电场存在下的行为。${ }^1$ 下面的章节将介绍一个更复杂但更精确的理论,说明可思考介质的电偏振。${ }^2$

物理代写|电磁学代写electromagnetism代考|Molecular Theory of Dielectrics

考虑将一种介电材料置于电容器板间的电场中。介质材料是由极性分子组成的。请注意,电介质材料也可以由非极性分子组成,它们在外部电场的存在下可以被极化。在由极性分子组成的电介质中,分子的永久偶极也被称为永久偶极。对于由非极性分子组成的电介质,由于极化而产生的偶极子被称为感应偶极子。

在没有电场的情况下,由电介质材料的极性分子产生的电介质中的永久偶极子是随机分布和定向的,如图4.8所示。当施加一个外部场$mathbf{E}_0$时,例如由电容器板上的电荷所产生的,施加在偶极子上的力产生扭力,使它们几乎沿着场的方向排列。我们可以说,电介质被极化了;也就是说,发生了宏观的电荷分离。分子在电场中的排列程度取决于温度和电场的大小。一般来说,随着温度的降低和电场的增加,排列的程度会增加。如果电介质的分子是非极性的,那么由于板的电场产生一些电荷分离和诱导偶极矩。这些诱导偶极矩倾向于与外场对齐,并且电介质被极化。

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