1.5.2. Діелектрики в електричному полі. Поляризація діелектриків

Діелектриками називають речовини, в яких за нормальних умов (без дії зовнішніх агентів і при не дуже високій температурі) немає вільних електричних заряджених частинок. Позитивні й негативні мікроскопічні частинки в рівних кількостях зв'язані з атомами і молекулами діелектрика. Тому атоми і молекули діелектрика в цілому нейтральні. Але це не означає, що зовнішнє електричне поле не впливає на діелектрик.

Рис. 1.9. Диполі всередині діелектрика

Під впливом сил поля зв'язані заряджені частинки можуть зміщуватися в межах мікроскопічних об'ємів.

Процес зміщення зв'язаних заряджених частинок діелектрика під впливом зовнішнього електричного поля називається поляризацією діелектрика.

Розглянемо процес поляризації з молекулярної точки зору. Молекули тіл - це електродинамічні системи, які складаються з позитивних ядер і негативних орбітальних електронів. Тому можна говорити про центри позитивних і негативних зарядів молекул і всі діелектрики поділити на такі три групи.

До першої групи можна віднести діелектрики, в молекулах яких центри позитивних і негативних зарядів не збігаються (рис. 1.10) Молекули таких діелектриків мають асиметричну будову; в них виражені полюси позитивних і негативних зарядів. Такі молекули називаються полярними. Електричне поле полярної молекули в першому наближенні можна уподібнити до поля деякого еквівалентного електричного диполя із сталим дипольним моментом:

, (1.30)

де l - відстань між електричними центрами.

Рис. 1.10. Полярна молекула Рис. 1.11. Неполярна молекула

До діелектриків з полярними молекулами належать: Н₂О, NO₂, SO₂, NH₃, HC1, СНСl, органічні кислоти та інші речовини.

До другої групи можна віднести діелектрики, в молекулах яких центри позитивних і негативних частинок збігаються (рис. 1.11). Молекули таких діелектриків називаються неполярними. Зокрема, до діелектриків цієї групи належать: Н₂, N₂, СО₂, ССl₄, парафін, бензол та ряд інших вуглеводнів.

До третьої групи діелектриків належать іонні кристали, в просторових решітках яких правильно чергуються позитивні й негативи іони (наприклад, NaCl, KC1, CsCl). У таких кристалах не можна виділити окремих молекул, і їх можна розглядати як сукупність дво: іонних решіток, вставлених одна в одну.

Для кількісної оцінки поляризації діелектрика вводиться поняття вектора поляризації . Під вектором поляризації розуміють векторну суму електричних дипольних моментів молекул одиниці об'єму поляризованого діелектрика; інакше, вектор поляризації визначається електричним дипольним моментом одиниці об'єму поляризованого діелектрика. За означенням вектор поляризації дорівнює:

, (1.31)

де P_i - електричний момент і-го диполя; n - кількість диполів в об'ємі ∆V.

. (1.32)

Отже, кількісною характеристикою електричних властивостей діелектрика є безрозмірна величина є - відносна діелектрична проникність діелектрика.