Поляризационные заряды. Типы диэлектриков

Все тела в природе можно условно разделить по их электрическим свойствам на три категории: проводники, полупроводники и диэлектрики (изоляторы). Электрические свойства тел зависят от их внутреннего строения.

К проводникам относятся вещества, которые при обычных условиях имеют достаточно большую концентрацию (~10²²см^-3) свободных носителей заряда. Через проводники под действием внешнего электрического поля переносятся электрические заряды. Проводниками, например, являются металлы и электролиты. В диэлектриках при обычных условиях свободные носители заряда практически отсутствуют, поэтому они не обладают способностью проводить электрические заряды. В полупроводниках при обычных условиях концентрация свободных носителей заряда ~10¹⁰ см^-3 и по способности проводить заряды они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Деление веществ на проводники и изоляторы по их способности проводить заряды весьма условно. В сильных электрических полях даже хорошие диэлектрики становятся проводниками электрических зарядов.

Опыты показывают, что на поверхности диэлектрика, помещенного во внешнее электрическое поле, возникают электрические заряды. Такие заряды называются поляризационными или связанными. В дальнейшем, поверхностную плотность поляризационных зарядов будем обозначать s¢. Поляризационные заряды не нарушают электронейтральности диэлектрика в целом.

Процессы, проходящие в диэлектриках, можно понять, если диэлектрик рассматривать как систему электрических диполей. Диэлектрики, молекулы которых имеют отличный от нуля электрический момент, называются полярными. К полярным диэлектрикам, например, относится вода. На рис. 2.1 изображена молекула воды и соответствующей ей эквивалентный диполь. Воздействие внешнего электрического поля на такую электронейтральную молекулу можно рассматривать как воздействие на соответствующий эквивалентный диполь

При этом в однородном поле на диполь действует вращательный момент сил (рис. 2. 2):

,

который ориентирует диполь вдоль линий напряженности. В отсутствии внешнего электрического поля все диполи молекул полярного диэлектрика вследствие беспорядочного теплового движения ориентированы хаотически (рис. 2.3а). Включение внешнего электрического поля Е0 приводит к частичной ориентации диполей по полю и, как следствие этого процесса, к появлению поляризационных зарядов на поверхности диэлектрика (рис. 2.3б). Данная ориентация не может быть полной, так как этому препятствует тепловое движение молекул.
Электрический момент молекул многих других диэлектриков в отсутствие внешнего электрического поля равен нулю. Такие диэлектрики называются неполярными. Примером неполярного диэлектрика является метан. При отсутствии внешнего электрического поля молекула метана СН₄ (рис. 2.4а) не является диполем, так как центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают.

Во внешнем электрическом поле Е ₀ разноименные заряды молекулы сдвигаются в разные стороны (на рис. 2.4а пунктиром изображено положение атомов молекулы СН₄ во внешнем поле) и

вся молекула приобретает электрический момент. Электрический момент р направлен параллельно линиям напряженности и определяется степенью сдвига атомов из положения равновесия. На рис. 2.4б показано появление поляризационных зарядов на поверхности неполярного диэлектрика.