ФИЗИКА

Модуль 2.7

Глава 4 Электрическое поле в диэлектриках

1 Поляризация диэлектриков

Диэлектрики (или изоляторы) – вещества, не способные проводить электрический ток.

В идеальном диэлектрике нет свободных зарядов, способных под действием электрического поля перемещаться через весь диэлектрик.

Структура молекул может быть различной. Поэтому различают диэлектрики неполярные и полярные.

1 Неполярные диэлектрики

Примерами неполярных диэлектриков являются симметричные молекулы (,,). В отсутствие внешнего электрического поля центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов совпадают. Молекулы таких диэлектриков прине обладают собственным дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле заряды в неполярной молекуле смещаются друг относительно друга: положительные по направлению поля, отрицательные – против – на некоторое расстояние, малое по сравнению с размерами молекулы (рис.1).

Рис. 1

Каждая молекула приобретает при этом дипольный электрический момент , величина которого в первом приближении ~. При снятии внешнего поля молекула возвращается в первоначальное состояние и дипольный момент обращается в нуль. Подобные диполи называются упругими, поляризацияэлектронной.

Рассмотрим объем , суммарный дипольный момент молекул равен, тогда дипольный момент единицы объема равен:

, (4.1)

где - концентрация молекул.

Вектор характеризует дипольный момент единицы объема диэлектрика, индуцированный внешним электрическим полем. Векторназываютполяризованностьюдиэлектрика. Для неполярных диэлектриков вектор поляризациивсегда направлен вдоль поля, т.е.. Опыт показывает, что поляризованность большинства диэлектриков (за исключением сегнетоэлектриков, см пункт 4) пропорциональна напряженности поля в той же точке:

, (4.2)

где - независящая отхарактеристика диэлектрика, называемаядиэлектрической восприимчивостью.

2 Полярные диэлектрики

Примерами полярных диэлектриков являются несимметричные молекулы (вода, нитробензол, ,,). При этом центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов молекулы не совпадают друг с другом. Такая молекула обладает собственным дипольным моментом и называется полярной или жестким диполем.

При отсутствии внешнего поля () дипольные моменты отдельных молекул вследствие теплового движения в каждый данный момент времени ориентированы в пространстве хаотично и суммарный дипольный момент единицы объема равен нулю.

Действие внешнего поля сводится в основном к стремлению повернуть молекулу так, чтобы ее дипольный момент установился по направлению поля (рис. 2). На величину дипольного момента внешнее поле практически не влияет. Следовательно, полярная молекула ведет себя во внешнем поле как жесткий диполь. Такой вид поляризации называется ориентационной поляризацией.

Рис. 2

С другой стороны, хаотическое тепловое движение препятствует ориентации диполей по полю и вновь располагает жесткие диполи под самыми различными углами к направлению поля, но среднее значение дипольного момента молекул будет отличным от нуля и как показывает опыт, равным

, но- диэлектрическая восприимчивость существенно зависит от температуры, т.е.и для полярных диэлектриков~.

Отметим, что линейная зависимость между инаблюдается в не слишком сильных полях.