ДИЭЛЕКТРИК В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКА

По сравнению с проводниками количество свободных заряженных частиц в диэлектрике очень мало.

Диэлектрик, внесенный в электрическое поле, так же как и проводник, электризуется. Однако между электризацией проводника и диэлектрика имеется существенная разница. Если в проводнике под влиянием сил электрического поля свободные электроны передвигаются по всему объему проводника, то в диэлектрике свободного перемещения электрических зарядов произойти не может. Но в пределах одной молекулы диэлектрика возникает смещение положительного заряда вдоль направления электрического поля и отрицательного заряда в обратном направлении. В результате этого смещения зарядов на поверхности диэлектрика возникают электрические заряды. Это явление называется поляризацией диэлектрика.

Различают диэлектрики с полярными (вода, аммиак, эфир, ацетон и т.д.) и неполярными молекулами. Полярные молекулы можно рассматривать как электрический диполь (рис.24 а).

Рис.24

Электрический диполь – это совокупность двух частиц с электрическими зарядами, равными по величине и противоположными по знаку. Эти заряды настолько близко располагаются друг к другу, что действие их взаимно компенсируется (рис.24а). При отсутствии электрического поля диполи в пространстве расположены хаотически и вследствие этого результирующее поле вокруг полярного диэлектрика равно нулю. Под действием внешнего электрического поля молекулы ( а стало быть и диполи) стремятся повернуться так, чтобы их оси совпали с направлением внешнего поля. Во внешнем электрическом поле полярная молекула (диполь) испытывает действие пары сил, которая поворачивает ее так, что электрический момент оказывается направленным так же, как и напряженность внешнего поля. На рис.24 б,в показан диэлектрик и однородном электрическом поле между двумя заряженными металлическими пластинами).

В неполярных молекулах диэлектрика под действием внешнего поля заряженные частицы смещаются вдоль направления вектора напряженности Е, в результате чего молекулы приобретают вид диполей. Диэлектрик, внесенный в электрическое поле, электризуется. Это происходит за счет того, что в пределах одной молекулы возникает смещение положительного и отрицательного заряда.

а б

Рис.25

Электроны смещаются в направлении противоположном полю. Это явление ограниченного смещения заряженных частиц в молекуле или изменение ориентации дипольных молекул под действием внешнего электрического поля называется поляризацией диэлектрика. Таким образом, поляризация представляет собой упругое смещение электрических зарядов в веществе диэлектрика.

На границе между металлической пластиной и диэлектриком распределены два вида заряженных частиц: свободные частицы металлической пластины, которые создают внешнее электрическое поле (напряженностью ), и связанные частицы диэлектрика противоположного знака, создающие внутреннее поле (напряженность Электрическое поле в диэлектрике есть результат наложения двух полей – внешнего и внутреннего.

Напряженность результирующего поля = Влияние диэлектрика на результирующее электрическое поле оценивают векторной величиной, называемой вектором поляризации

(3-1)

ε (эпсилон)- относительная диэлектрическая проницаемость. Откуда видно, что вектор поляризации пропорционален напряженности электрического поля.

Чем сильнее поляризуется диэлектрик, тем слабее получается результирующее поле, тем больше электрическая проницаемость ε данного диэлектрика.

При исчезновении поля исчезает и поляризация. Однако имеются такие диэлектрики, которые, будучи поляризованными внешним электрическим полем, сохраняют остаточную поляризацию и в отсутствие поля. К ним относятся сегнетоэлектрики. Т.е. в сегнетоэлектриках наблюдается отставание (гистерезис) изменений электрического смещения зарядов от изменений напряженности внешнего поля.

У диэлектрика, находящегося в переменном поле, смещение зарядов также изменяется, что вызывает нагревание диэлектрика. Чем выше частота внешнего поля, тем сильнее нагревается диэлектрик. Явление нагревания диэлектрика в переменном поле применяется при сушке влажных материалов, при ускорении химических реакций.

Принято сопоставлять диэлектрические свойства различных веществ с электрическими свойствами вакуума – с электрической постоянной ε₀ =8,85 10^-12Ф/м. Отношение диэлектрической проницаемости вещества ε_с к электрической постоянной –это относительная диэлектрическая проницаемость ε, т.е.

(3-2)

У большинства диэлектриков величина ε лежит в пределах 1-10 и мало зависит от электрических условий и температуры среды. Относительная диэлектрическая проницаемость ε – это величина, показывающая, во сколько раз диэлектрическая проницаемость среды больше электрической постоянной. Величина ε не имеет размерности.

Таблица 4

Диэлектрическая проницаемость (относительная) и электрическая прочность некоторых материалов

У сегнетоэлектриков (титанат бария, титанат свинца, сегнетова соль и др.) величина ε может достигать значений порядка многих тысяч и является не постоянной. Сильно, например, зависит от температуры и напряженности внешнего электрического поля.

При расчетах электрических полей в диэлектриках кроме напряженности электрического поля Е пользуются понятием электрического смещения D. Электрическое смещение

. (3-3)

Обе величины и D, и Е являются силовыми характеристиками электрического поля, только напряженность поля учитывает свойства среды, а электрическое смещение не зависит от нее.

Через вектор поляризации величину Dможно представить так:

(3-4)

Таким образом, электрическое смещение принято рассматривать как состояние, складывающееся из смещения в вакууме и смещения в диэлектрике.