Типы диэлектриков

Диэлектриками называют вещества, практически не проводящие электрического тока. В диэлектриках, в отличие от проводников, нет свободных носителей заряда – заряженных частиц, которые могли бы прийти под действием электрического поля в упорядоченное движение и образовать ток проводимости.

Термин «диэлектрик» введен М. Фарадеем для обозначения веществ, через которые проникают электрические поля, в отличие от металлов, внутри которых электростатическое поле равно нулю. К диэлектрикам относят твердые тела, такие, как эбонит, янтарь, фарфор, жидкости (например, чистая вода) и газы при нормальных условиях.

Мы увидим, что показания электрометра уменьшаются, когда пластина находится вблизи электрометра, и вновь восстанавливается при удалении пластины.

Если заменить диэлектрик на проводник, то мы будем наблюдать такое же явление. Известно, что на проводнике возникают индукционные заряды, которые и изменяют электрическое поле. Отсюда можно сделать вывод, что и на диэлектрике в электрическом поле также возникают заряды. При этом на ближайшем к телу части диэлектрика появляются заряды, разноименные с зарядом влияющего тела, а на удаленной части диэлектрика – одноименные заряды (рис. 10.18). Появление зарядов на диэлектрике ведет к возникновению сил, действующих на диэлектрики, даже если они первоначально были незаряженными.

Условно выделяют три класса диэлектриков:

1) с полярными молекулами:

2) с неполярными молекулами;

3) кристаллические.

К первому классу относятся такие вещества, как вода, нитробензол и др. Молекулы этих диэлектриков не симметричны, «центры масс» их положительных и отрицательных зарядов не совпадают, и они, подобно диполю, обладают дипольным моментом даже в отсутствие электрического
поля.

На рисунке 10.19 схематически показаны молекулы соляной кислоты (а) и воды (б).

В этом случае векторная сумма дипольных моментов всех N молекул равна нулю:

Если полярный диэлектрик поместить в электрическое поле, то дипольные моменты молекул стремятся ориентироваться вдоль линий напряженности поля (рис.10.20, б), однако полной ориентации не будет из-за молекулярно-теплового хаотического движения.

Ко второму классу диэлектриков относятся такие вещества (например, водород, кислород и др.), молекулы которых в отсутствие электрического поля не имеет дипольного момента. В таких молекулах заряды электронов и ядер расположены так, что «центры масс» положительных и отрицательных зарядов совпадают.

Третий класс – кристаллические диэлектрики (например, NaCl), решетка которых состоит из положительных и отрицательных ионов. Такой диэлектрик можно схематически рассматривать как совокупность двух «подрешеток», одна из которых заряжена положительно, другая отрицательно. При отсутствии поля подрешетки расположены симметрично и суммарный электрический момент такого диэлектрика равен нулю. Если диэлектрик поместить в электрическое поле, то подрешетки немного сместятся в противоположные стороны.

При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле происходит поляризация диэлектрика, состоящая в том, что в любом малом его объеме возникает отличный от нуля суммарный дипольный электрический момент молекул. Заряды, возникающие на диэлектриках в электрическом поле, называются поляризационными.

Для количественной характеристики поляризации диэлектрика служит специальная физическая величина, называемая поляризованностью (вектор поляризации). Поляризованностью диэлектрика называют электрический момент единицы объема диэлектрика:

(10.9.1)

Единицей поляризованности является кулон на квадратный метр (Кл/м²).

При поляризации диэлектрика на одной его поверхности (грани) создаются положительные заряды, а на другой – отрицательные (рис 10.20, б и 10. 21, б). Эти электрические заряды называют связанными, так как они принадлежат молекулам диэлектрика и не могут перемещаться отдельно от молекулы или быть удалены с поверхности диэлектрика в отличие от свободных зарядов, которых в идеальном диэлектрике нет.

Рассмотрим электрическое поле между пластинами конденсатора, которое характеризуется напряженностью (рис.10.22). Внесем в это поле пластину из однородного изотропного диэлектрика. В изотропном диэлектрике поляризация постоянна и не зависит от направления поля.

Под действием электрического поля диэлектрик поляризуется, и на его поверхности появляются связанные заряды с поверхностной плотностью . Эти заряды создают внутри пластины однородное поле напряженностью

.

Напряженность поля при отсутствии диэлектрика:

В результате в диэлектрике будет электрическое поле, напряженность которого

(10.9.2)

Поверхностная плотность связанных зарядов равна нормальной составляющей вектора поляризации, т.е. .

С учетом этого напряженность результирующего поля:

, (10.9.3)

Таким образом, вектор поляризации пропорционален напряженности электрического поля в диэлектрике. Величина называется диэлектрическая восприимчивость среды, которая вместе с диэлектрической проницаемостью характеризует способность диэлектрика к поляризации и зависит от его молекулярного строения, а также от температуры.

Известно, что диэлектрическая проницаемость среды равна отношению силы взаимодействия зарядов в вакууме к силе взаимодействия этих же зарядов на том же расстоянии в среде:

Так как напряженность электрического поля пропорциональна силе, действующей на заряд, то можно записать аналогичное соотношение

,

т.е. при внесении диэлектрика в электрическое поле его характеристики уменьшаются в ε раз.