3. Взаимодействие электрического поля

С ВЕЩЕСТВОМ: ДИЭЛЕКТРИКИ И ПОЛУПРОВОДНИКИ

Между диэлектриками и полупроводниками нет принципиальной разницы: их проводимость зависит от температуры одинаковым образом, в них ничтожно число свободных носителей тока. Поэтому дальше мы будем говорить только о диэлектриках, подразумевая при этом и полупроводники.

Внешнее ЭП поляризует диэлектрик, т. е. приводит к перераспределению связанных зарядов в нем. Можно выделить два механизма этого перераспределения: ориентационный и электронный.

Ориентационный механизм характерен для диэлектрика, состоящего из полярных молекул (полярный диэлектрик). Такие молекулы имеют ненулевой электрический дипольный момент в отсутствие поля. Если такой диэлектрик поместить в поле, то молекулы-диполи приобретают преимущественную ориентацию, как это показано на рис. 3.1.

а	б
Рис. 3.1. Полярный диэлектрик: а  в отсутствие поля; б  при наличии поля (стрелками показаны электрические дипольные моменты молекул)

Электронный механизм характерен для диэлектрика, состоящего из неполярных молекул (неполярный диэлектрик). Такие молекулы имеют нулевой электрический дипольный момент в отсутствие поля. Если такой диэлектрик поместить в поле, то каждая молекула приобретает индуцированный дипольный момент, как показано на рис. 3.2, из которого видно, что дипольные моменты всех атомов у неполярных диэлектриков выстроены по полю, а значит, имеют одно и то же направление.

Электрический дипольный момент полярной молекулы (атома) вычисляется по формуле:

. (3.1)

Коэффициент называется поляризуемостью молекулы (атома). Поляризуемость некоторых молекул и атомов можно найти с помощью табл. 6.3.

E = 0
а	б
Рис. 3.2. Неполярный диэлектрик: а  в отсутствие поля; б  при наличии поля (стрелками обозначены электрические дипольные моменты молекул)

Каков бы ни был механизм поляризуемости диэлектрика, результирующее поле внутри него обычно оказывается ослабленным по сравнению с внешним. Количественно поляризация характеризуется дипольным моментом единицы объема – так называемой поляризованностью, ее определение имеет вид:

. (3.2)

В слабых полях для изотропных диэлектриков поляризованность пропорциональна :

. (3.3)

Здесь (каппа) – диэлектрическая восприимчивость диэлектрика, которая связана с диэлектрической проницаемостью ε соотношением:

. (3.4)

Значения диэлектрической проницаемости некоторых веществ при комнатной температуре приведены в табл. 6.4. Поскольку постоянное электрическое поле в металлы не проникает, для металлов при постоянном внешнем поле .

Значения диэлектрической проницаемости одного и того же вещества в переменном и постоянном электрических полях могут значительно различаться. Особенно важно знать зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для периодического поля, которое создает электромагнитная волна. Дело в том, что через диэлектрическую проницаемость выражается показатель преломления прозрачного вещества n:

. (3.5)

Для обычных природных прозрачных веществ, как правило, магнитная проницаемость .Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты электрического поля (электромагнитной волны) приближенно выражается формулой:

. (3.6)

Здесь – концентрация атомов в веществе;– собственная (резонансная) частота электрона с номеромi, всего в атоме Z электронов. Формула (3.6) справедлива, если частота волны существенно отличается от ближайшей к ней резонансной частоты :. В таком случаедиэлектрическая проницаемость (и показатель преломления) возрастает с увеличением . Экспериментально обнаружить эту зависимость можно на примере разложения белого света в спектр (радуга): для каждой длины волны (или частоты) света свой показатель преломления. Зависимость показателя преломления среды (или, то же самое, скорости света в этой среде) от  (или ) называют дисперсией. Если n с ростом  увеличивается, то дисперсию именуют нормальной; в противоположном случае – аномальной.

Вблизи собственных частот диэлектрическая проницаемость становится отрицательной, а показатель преломления – комплексным. Это соответствует сильному поглощению света.

Значения диэлектрической проницаемости некоторых веществ при приведены в табл. 6.5.

В начале 2000-х гг. доказано, что можно реализовать искусственные материалы (обычно неоднородные или многослойные) с совершенно необычными свойствами. Среди таких метаматериалов есть вещества с отрицательным показателем преломления. С помощью них добиваются эффекта «шапки-невидимки». Нетрудно понять, что детали таких исследований засекречены.

Вопросы и задачи

3.1. Дайте сравнительную характеристику диэлектрической проницаемости и диэлектрической восприимчивости вещества

3.2. Дайте сравнительную характеристику напряженности электрического поля и электрической индукции.

3.3. Дайте сравнительную характеристику диэлектрической проницаемости вещества и его поляризованности.