Physics For Scientists And Engineers 6E - part 205

 

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Physics For Scientists And Engineers 6E - part 205

 

 

SECTION 26.7 •  An Atomic Description of Dielectrics

817

Example 26.8 The H

2

O Molecule

The water (H

2

O) molecule has an electric dipole moment

of  6.3 * 10

$

30

C + m.  A  sample  contains  10

21

water  mole-

cules, with the dipole moments all oriented in the direction
of an electric field of magnitude 2.5 * 10

5

N/C. How much

work is required to rotate the dipoles from this orientation
(2 # 0°) to one in which all the moments are perpendicular
to the field (2 # 90°)?

Solution The work required to rotate one molecule 90° is
equal to the difference in potential energy between the 90°
orientation  and  the  0° orientation.  Using  Equation  26.19,

we obtain

Because  there  are  10

21

molecules  in  the  sample,  the  total

work required is

1.6 * 10

$

3

 

 

J

W

total

#

(10

21

)(1.6 * 10

$

24

 

 

J) #

 # 1.6 * 10

$

24

 J

 # pE # (6.3 * 10

$

30

 C+m)(2.5 * 10

5

 N/C)

U

905

$

U

05

#

($pE cos 905) $ ($pE cos 05)

26.7 An Atomic Description of Dielectrics

In  Section  26.5  we  found  that  the  potential  difference  !V

0

between  the  plates  of  a

capacitor is reduced to !V

0

/1 when a dielectric is introduced. The potential difference

is reduced because the magnitude of the electric field decreases between the plates. In
particular, if 

E

0

is the electric field without the dielectric, the field in the presence of a

dielectric is

(26.21)

Let us first consider a dielectric made up of polar molecules placed in the electric

field between the plates of a capacitor. The dipoles (that is, the polar molecules mak-
ing  up  the  dielectric)  are  randomly  oriented  in  the  absence  of  an  electric  field,  as
shown  in  Figure  26.25a.  When  an  external  field 

E

0

due  to  charges  on  the  capacitor

plates is applied, a torque is exerted on the dipoles, causing them to partially align with
the field, as shown in Figure 26.25b. We can now describe the dielectric as being polar-
ized.  The  degree  of  alignment  of  the  molecules  with  the  electric  field  depends  on
temperature  and  on  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.
Thus,  we  can  polarize  a  dielectric  with  an  external  field  regardless  of  whether  the
molecules are polar or nonpolar.

E #

E

0

1

E

0

(b)

(c)

– +

+

+

+

+

+

+

– +

+

+

– +

+

– +

– +

– +

– +

– +

– +

– +

– +

– +

– +

– +

– +

+

(a)

E

0

E

ind

  

ind

σ

 

ind

σ




+

+

+
+
+
+




+

+

+
+
+
+

Figure 26.25 (a) Polar molecules are randomly oriented in the absence of an external

electric field. (b) When an external electric field is applied, the molecules partially

align with the field. (c) The charged edges of the dielectric can be modeled as an

additional pair of parallel plates establishing an electric field E

ind

in the direction

opposite to that of E

0

.

818

C H A P T E R   2 6 •  Capacitance and Dielectrics

With these ideas in mind, consider a slab of dielectric material placed between the

plates  of  a  capacitor  so  that  it  is  in  a  uniform  electric  field 

E

0

,  as  shown  in  Figure

26.25b.  The  electric  field  due  to  the  plates  is  directed  to  the  right  and  polarizes  the
dielectric.  The  net  effect  on  the  dielectric  is  the  formation  of  an  induced positive
surface charge density '

ind

on the right face and an equal-magnitude negative surface

charge  density  $ '

ind

on  the  left  face,  as  shown  in  Figure  26.25c.  Because  we  can

model these surface charge distributions as being due to parallel plates, the induced
surface  charges  on  the  dielectric  give  rise  to  an  induced  electric  field 

E

ind

in  the

direction  opposite  the  external  field 

E

0

.  Therefore,  the  net  electric  field 

E in  the

dielectric has a magnitude

(26.22)

In the parallel-plate capacitor shown in Figure 26.26, the external field E

0

is related

to the charge density ' on the plates through the relationship E

0

#

'

/)

0

. The induced

electric field in the dielectric is related to the induced charge density '

ind

through the

relationship  E

ind

#

'

ind

/)

0

.  Because  E

0

/1 # '/1)

0

,  substitution  into  Equation

26.22 gives

(26.23)

Because  1 , 1,  this  expression  shows  that  the  charge  density  '

ind

induced  on  the

dielectric is less than the charge density ' on the plates. For instance, if 1 # 3 we see
that  the  induced  charge  density  is  two-thirds  the  charge  density  on  the  plates.  If  no
dielectric is present, then 1 # 1 and '

ind

#

0 as expected. However, if the dielectric is

replaced  by  an  electrical  conductor,  for  which  # 0,  then  Equation  26.22  indicates
that E

0

#

E

ind

; this corresponds to '

ind

#

'

. That is, the surface charge induced on

the conductor is equal in magnitude but opposite in sign to that on the plates, result-
ing in a net electric field of zero in the conductor (see Fig. 24.16).

We can use the existence of the induced surface charge distributions on the dielec-

tric to explain the result of Example 26.7. As we saw there, the energy of a capacitor not
connected to a battery is lowered when a dielectric is inserted between the plates; this
means that negative work is done on the dielectric by the external agent inserting the
dielectric into the capacitor. This, in turn, implies that a force must be acting on the
dielectric  that  draws  it  into  the  capacitor.  This  force  originates  from  the  nonuniform
nature of the electric field of the capacitor near its edges, as indicated in Figure 26.27.

'

ind

#

$

1 $

1

1

%

'

'

1)

0

#

 

'

)

0

$

'

 

ind

)

0

E

0

$

E

 

ind

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

σ

 

σ

σ

ind

σ

σ

ind

σ

σ

Figure 26.26 Induced charge on a

dielectric placed between the

plates of a charged capacitor. Note

that the induced charge density on

the dielectric is less than the charge

density on the plates.

+Q

Q

+

+

+

+

+

+

+

Figure 26.27 The nonuniform electric field near the edges of a parallel-plate

capacitor causes a dielectric to be pulled into the capacitor. Note that the field acts on

the induced surface charges on the dielectric, which are nonuniformly distributed.

SECTION 26.7 •  An Atomic Description of Dielectrics

819

(b)

(d – a)/2

(d – a)/2

(a)

d a

(d – a)/2

(d – a)/2

σ

σ

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

σ

σ

Figure 26.28 (Example 26.9) (a) A parallel-plate capacitor of

plate separation partially filled with a metallic slab of thick-

ness a. (b) The equivalent circuit of the device in part (a) con-

sists of two capacitors in series, each having a plate separation

(a)/2.

Example 26.9 Effect of a Metallic Slab

A parallel-plate capacitor has a plate separation and plate
area A. An uncharged metallic slab of thickness is inserted
midway between the plates.

(A)

Find the capacitance of the device.

Solution We  can  solve  this  problem  by  noting  that  any
charge  that  appears  on  one  plate  of  the  capacitor  must
induce  a  charge  of  equal  magnitude  and  opposite  sign
on the  near  side  of  the  slab,  as  shown  in  Figure  26.28a.
Consequently,  the  net  charge  on  the  slab  remains  zero,
and  the  electric  field  inside  the  slab  is  zero.  Hence,  the
capacitor  is  equivalent  to  two  capacitors  in  series,  each
having  a  plate  separation  (a)/2,  as  shown  in  Figure
26.28b.

Using Eq. 26.3 and the rule for adding two capacitors in

series (Eq. 26.10), we obtain

Note that approaches infinity as approaches d. Why?

)

0

A

a

#

1

C

#

1

C

1

&

1

C

2

#

1

'

)

0

A

(a)/2

(

&

1

'

)

0

A

(a)/2

(

(B)

Show  that  the  capacitance  of  the  original  capacitor  is

unaffected by the insertion of the metallic slab if the slab is
infinitesimally thin.

Solution In the result for part (A), we let : 0:

which is the original capacitance.

What  If?

What  if  the  metallic  slab  in  part  (A)  is  not

midway  between  the  plates?  How  does  this  affect  the
capacitance?

Answer Let  us  imagine  that  the  slab  in  Figure  26.27a  is
moved upward so that the distance between the upper edge
of  the  slab  and  the  upper  plate  is  b.  Then,  the  distance
between  the  lower  edge  of  the  slab  and  the  lower  plate  is
a.  As  in  part  (A),  we  find  the  total  capacitance  of
the series combination:

This  is  the  same  result  as  in  part  (A).  It  is  independent  of
the value of b, so it does not matter where the slab is located.
In Figure 26.28b, when the central structure is moved up or
down,  the  decrease  in  plate  separation  of  one  capacitor  is
compensated  by  the  increase  in  plate  separation  for  the
other.

#

)

 

0

 

A

a

#

 

b

)

 

0

 

A

&

a

)

 

0

 

A

#

a

)

 

0

 

A

1

C

#

1

C

 

1

&

1

C

 

2

#

1

 ()

 

0

 

A/b)

&

1

)

 

0

 

A/(a

#   lim

: 0

 

)

 

0

 

A

a

#

)

 

0

 

A

d

Example 26.10 A Partially Filled Capacitor

A  parallel-plate  capacitor  with  a  plate  separation  has  a
capacitance  C

0

in  the  absence  of  a  dielectric.  What  is  the

capacitance  when  a  slab  of  dielectric  material  of  dielectric
constant  1 and  thickness 

is  inserted  between  the  plates

(Fig. 26.29a)?

1

3

 d

Solution In Example 26.9, we found that we could insert a
metallic slab between the plates of a capacitor and consider
the  combination  as  two  capacitors  in  series.  The  resulting
capacitance  was  independent  of  the  location  of  the  slab.
Furthermore,  if  the  thickness  of  the  slab  approaches  zero,

The horizontal component of this fringe field acts on the induced charges on the surface
of the dielectric, producing a net horizontal force directed into the space between the
capacitor plates.

820

C H A P T E R   2 6 •  Capacitance and Dielectrics

1

3

– d

2

3

– d

d

(a)

κ

(b)

C

1

C

2

1

3

– d

2

3

– d

κ

Figure 26.29 (Example 26.10) (a) A parallel-plate capacitor of

plate separation partially filled with a dielectric of thickness

d/3. (b) The equivalent circuit of the capacitor consists of two

capacitors connected in series.

then  the  capacitance  of  the  system  approaches  the  capaci-
tance when the slab is absent. From this, we conclude that
we can insert an infinitesimally thin metallic slab anywhere
between  the  plates  of  a  capacitor  without  affecting  the
capacitance.  Thus,  let  us  imagine  sliding  an  infinitesimally
thin  metallic  slab  along  the  bottom  face  of  the  dielectric
shown in Figure 26.29a. We can then consider this system to
be  the  series  combination  of  the  two  capacitors  shown  in
Figure 26.29b: one having a plate separation d/3 and filled
with  a  dielectric,  and  the  other  having  a  plate  separation
2d/3 and air between its plates.

From  Equations  26.15  and  26.3,  the  two  capacitances

are

Using Equation 26.10 for two capacitors combined in series,
we have

Because the capacitance without the dielectric is C

0

#

)

0

A/d,

we see that

 

$

31

21 & 1

%

 

C

 

0

#

#

$

31

21 & 1

%

 

)

0

A

d

 

1

C

#

d

3

 

)

 

0

 

A

 

$

1
1

&

2

%

#

d

3

 

)

 

0

 

A

 

$

1 & 21

1

%

1

C

#

1

C

 

1

&

1

C

 

2

#

d/3

1)

 

0

 

A

&

2d/3

)

 

0

 

A

  

C

 

1

#

1)

 

0

 

A

d/3

   

and

   

C

 

2

#

)

 

0

 

A

2d/3

capacitor consists  of  two  conductors  carrying  charges  of  equal  magnitude  and

opposite  sign.  The 

capacitance of  any  capacitor  is  the  ratio  of  the  charge  on

either conductor to the potential difference !between them:

(26.1)

The capacitance depends only on the geometry of the conductors and not on an exter-
nal source of charge or potential difference.

The  SI  unit  of  capacitance  is  coulombs  per  volt,  or  the 

farad (F),  and  1 F #

1 C/V.

Capacitance expressions for various geometries are summarized in Table 26.2.
If two or more capacitors are connected in parallel, then the potential difference is

the same across all of them. The equivalent capacitance of a parallel combination of
capacitors is

(26.8)

If two or more capacitors are connected in series, the charge is the same on all of

them, and the equivalent capacitance of the series combination is given by

C

  

eq

#

C

 

1

&

C

 

2

&

C

 

3

& + + +

C 

Q

V

S U M M A R Y

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