Взаимодействие эсп с диэлектриками. Полярные и неполярные диэлектрики. Поляризация. Поля­ризованность (вектор поляризации). Диэлектрическая проницаемость.

К диэлектрикам относят вещества, не содержащие свободных носителей зарядов, т. е. заря­женных частиц, способных под действием ЭСП перемещаться на макрорасстояния - расстоя­ния, много большие межатомных. В диэлектрике заряженные частицы - электроны и ионы находятся в связанном в его атомах и молекулах состоянии.

В электростатическом отношении диэлектрики подразделяют на полярные - атомы и моле­кулы, которых в отсутствие внешнего ЭСП обладают ненулевым электрическим дипольным момен­том и неполярные, атомы и молекулы которых в отсут­ствие внешнего ЭСП обладают нулевым элек­трическим дипольным моментом. Внешнее ЭСП способно перемещать связанные заряженные мик­рочастицы вещества (электроны, ионы) на микро­расстояния, соизмеримые с межатомными расстоя­ниями ( 10^-10 м). При этом в полярных диэлек­триках (Н₂О, С₂Н₅ОН, СО ...) происходит поворот - ориентация в направле­нии внешнего ЭСП уже имеющихся диполей, в роли которых выступают атомы и молекулы вещества. Центры пространственного распределе­ния положительного и отрица­тельного заряда в этих молекулах не совпадают, и в результате образу­ется ненулевое плечо и элек­трический момент диполя.

В неполярных диэлектриках (Не, Н₂, О₂, СО₂, СН₄...) «центры тяжести» положительного и отрицательного зарядов молекулы в отсутствие внеш­него ЭСП пространственно совпадают, и моле­кулы обладают нулевым электрическим дипольным моментом. Наличие же внешнего ЭСП приво­дит к "растаскиванию" положительного и отрицательного заряда молекулы в противополож­ные сто­роны (положительного - по полю, а отрицательного - против поля, его силовых линий). При этом возникает ненулевое плечо и электрический момент молекулы, кото­рая превращается в диполь.

В обоих случаях, при помещении во внешнее ЭСП, как полярных, так и неполярных диэлектри­ков, они поляризуются, т. е. весь образец диэлектрика превращается в один большой элек­трический диполь (макродиполь). На противоположных гранях образца, перпендикулярных сило­вым линиям ЭСП, концентрируются не скомпенсированные заряды противоположного знака; в полярных диэлектриках - в результате поворота внешним ЭСП готовых диполей-молекул, а в неполярных диэлектриках - в результате создания внешним ЭСП электрических диполей из непо­лярных молекул. Электрические моменты молекул ориентируются внешним ЭСП в направлении его силовых линий, и в результате возникает ненулевой результирующий дипольный момент всего объема образца. Возникающие при этом на противоположных гранях образца, не скомпенсированные связанные (поляризационные) заряды проти­воположного знака, создают собственное ЭСП (внутреннее), дополнительное к внешнему электриче­скому полю, но направленное против него и ослабляющее его.

С

хематически образование внутреннего ЭСП, т. е. собственно механизм поляризации в полярных и неполярных диэлектриках, иллюстрируется на рис:

Мерой поляризации диэлектрика служит вектор поляризации , равный электрическому дипольному моменту единицы объема диэлектрика и называемый еще поляризованностью диэлек­трика:

=  _/V = n < > где: V - объем образца диэлектрика;

_ - дипольный момент  - ой молекулы (микродиполя);

n - концентрация, т. е. число молекул в единице объема диэлектрика;

<р> - усредненное значение дипольного момента одной молекулы.

Можно показать, что поляризованность диэлектрика численно равна поверхностной плотно­сти связанного заряда на гранях образца. Для однородного внешнего ЭСП и образца диэлектрика в форме цилиндра или параллелепипеда длиной l, расположенного вдоль сило­вых линий ЭСП, образец представляет собой мак­родиполь, электрический момент _ которого, равен:

_ = q l = S l = V, но по определению, Р_ = РV  Р = 

В общем случае, при произвольной форме образца, поверхностной плотности связанного заряда оказывается равна нормальная составляющая (к грани образца с ) поляризованности диэлектрика: Р_n = .

Покажем, что однородный и изотропный диэлектрик ослабляет силу (напряженность) в  раз, где  - диэлектрическая проницаемость материала.

Результирующее поле в диэлектрике складывается из противоположно направленных внеш­него и собственного (внутреннего), обусловленного связанными (поляризационными) зарядами диэлектрика, полей. Его напря­женность Е равна разности: Е = Е_внеш – Е_собств. Е_собств запишем по формуле для плоского конденса­тора: Е_собств = /_о = Р/_о (значение  здесь не включается, т. к. оно уже учтено в плотности  поля­ризационных зарядов).

Поляризованность Р диэлектрика прямо пропорциональна напряженности результирующего поля Р = _оЕ, где  - диэлектрическая восприимчивость материала диэлектрика.

Подставляя все это в выражение для Е, получаем:

Е = Е_внеш - Р/_о = Е_внеш - Е  Е = Е_внеш/(1 + ) = Е_внеш/, где  = 1 +  - диэлектрическая про­ницаемость вещества, являющаяся мерой ослабления ЭСП диэлектриком, показывающая во сколько раз напряженность ЭСП в однородном изотропном и безграничном диэлектрике меньше чем в вакууме:  = Е_внеш/Е.

В диэлектрике три вектора - и , по разному характеризуют силу ЭСП.

Вектор характеризует силу внешнего ЭСП самого по себе, независимо от среды (приведенного к вакууму - среде с  = 1). Его нормальная составляющая D_n равна поверхностной плотности свободного заряда: D_n = .

Вектор характеризует собственное ЭСП в диэлектрике, обусловленное его связанными, поляризационными зарядами. Его нормальная составляющая Р_n равна поверхностной плотности связанного заряда: Р_n = .

Вектор характеризует силу результирующего ЭСП в диэлектрике.

Эти векторы взаимосвязаны сле­дующим образом:

= _о = _о(1 + ) = _о + _о = _о +