Диэлектрики. Поляризация диэлектриков

В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся на проводники (n₀~10²⁸ ÷ 10²⁹ м^-3), полупроводники (n₀~10¹⁷ ÷ 10¹⁹м^-3) и диэлектрики (n₀~10⁹ ÷ 10¹³м^-3).

Диэлектрики, как и любое другое вещество, состоят из нейтральных атомов и молекул. Если заменить весь положительный заряд молекулы одним точечным зарядом, помещенным в центре его распределения и аналогичным образом поступить с электронами, то каждую молекулу в этом случае можно рассматривать как электрический диполь. По этому признаку все диэлектрики можно разделить на три группы:

Первую группу образуют вещества с симметричным распределением как положительных, так и отрицательных зарядов в молекуле. Для таких молекул центры распределения положительных зарядов и электронов совпадают. Они называются неполярными. Их дипольный момент . Под воздействием внешнего поля разноименные заряды таких молекул смещаются вдоль силовых линий в противоположные стороны. При этом возникает дипольный момент, направленный по полю (N₂, H₂, O₂, CO₂, CH₄).

Вторую группу составляют материалы, молекулы которых имеют ассиметричное распределение зарядов. Такие молекулы называются полярными. Они обладают собственным электрическим дипольным моментом . В обычных условиях вектора дипольных моментов отдельных молекул из-за теплового движения ориентированы хаотично. По этой причине суммарный момент тела равен нулю. Внешнее электрическое поле стремится сориентировать дипольные моменты таких молекул вдоль силовых линий поля. Это приведет к возникновению результирующего, не равного нулю, электрического момента всего диэлектрика. Примеры: Н₂О, NН_3. SO₂, CО.

К третьему типу относятся диэлектрики, имеющие кристаллическое строение с правильным чередованием ионов разных знаков. Их структуру можно рассматривать как систему двух, вдвинутых одна в другую, ионных подрешеток. Под воздействием поля происходит небольшое встречное смещение кристаллографических плоскостей: плоскости, содержащие положительно заряженные ионы, смещаются по полю, а плоскости, образованные отрицательными ионами, - против поля. Это приводит к возникновению некоторого результирующего дипольного момента всего кристалла.

Процесс ориентации дипольных моментов или их появление под воздействием внешнего электрического поля, что приводит к возникновению электрического момента у каждого элемента объема диэлектрика, называется поляризацией диэлектриков.

Различают три вида такой поляризации:

1. Электронная или деформационная – заключается в возникновении индуцированных дипольных моментов атомов вследствие деформации электронных оболочек, т.е. смещении электронных орбиталей относительно ядер.

2. Ориентационная или дипольная – упорядочение в расположении существующих дипольных моментов.

3. Ионная – возникает в результате встречного смещения кристаллических подрешёток: состоящей из положительно заряженных ионы по полю, а образованной отрицательными ионами – против поля. Количественно поляризация характеризуется поляризованностью (вектором поляризации)– векторной величиной, определяемой как суммарный дипольный момент единицы объёма диэлектрика:

, (21)

где р _i – дипольный момент одной молекулы; р_v – суммарный дипольный момент всего диэлектрика.

Из опыта известно, что для большого класса диэлектриков (за исключением сегнетоэлектриков) поляризованность линейно зависит от напряжённости внешнего поля :

= χ ε , (22)

где – напряжённость электрического поля в точке, для которой определяется ; χ (хи) – диэлектрическая восприимчивость вещества;

χ – всегда положительная, безразмерная величина. Для большинства диэлектриков (твёрдых и жидких) χ составляет всего несколько единиц (хотя, например, для спирта χ ≈ 25, а для воды χ = 80).

Для установления количественных за­кономерностей поля в диэлектрике внесем в однородное внешнее электростатическое поле Е₀ (создается двумя параллельными разноименно заряженны­ми плоскостями) пластинку из однородно­го диэлектрика, расположив ее перпендикулярно силовым линиям поля. Под действием поля диэлектрик поляризуется, т.е. происходит смещение зарядов: положительные смещаются по полю, отрицательные – против поля. В результате этого на грани диэлектрика, обращенной к отрицатель­ной плоскости, будет избыток положитель­ного заряда с поверхностной плотностью +σ, на левой – отрицательного заряда с поверхностной плотностью –σ. Эти не-скомпенсированные заряды, появляющие­ся в результате поляризации диэлектрика, называются связанными. Так как их по­верхностная плотность σ меньше плотно­

В результате поляризации на поверхности диэлектрика появляются связанные заряды (рис.). Вектор напряжённости поля связанных зарядов направлен внутри диэлектрика противоположно вектору напряжённости внешнего поля, вызвавшего поляризацию (рис.). Теперь, в соответствии с принципом суперпозиции, напряжённость поля внутри диэлектрика:

или . (23)

Напряжённость электрического поля связанных зарядов можно определить по формуле: , где σ ^´ – поверхностная плотность связанных зарядов. Можно показать, что поверхностная плотность

связанных зарядов равна модулю вектора поляризованности диэлек-трика – σ ^´ = Р. С учётом (13), подставив в (15) , получим: (24).

Откуда напряжённость результирующего поля внутри диэлектрика:

. (25)

Безразмерная величина ε = 1+χ называется диэлектрической проницаемостью среды. Из (17) видно, что диэлектрическая проницаемость количественно характеризует свойство диэлектрика поляризоваться и показывает, во сколько раз внешнее поле ослабляется данным диэлектриком.