Діелектрики, поляризація діелектриків

Діелектрики - речови­ни, які в звичайних умовах погано проводять електрич­ний струм. Термін "діелек­трик" був введений М. Фа­радеєм. До діелектриків на­лежать всі гази (неіонізовані), деякі рідини (вода, гас) і деякі тверді тіла (фосфор, ебоніт). Електропровідність діелектриків дуже мала, їх­ ній питомий електричний опір Ом-м.

Мал. 2.9.

Внесемо однорідний ді­електрик в поле напруженості Е₀ = const. На протилежних гранях діелектрика з'являться зв'язані заряди різного знака, які створять власне поле . Враховуючи, що напрямки і Е' протилежні, результуюча напруженість (мал. 2.9). Величина, яка показує, у скільки разів напруженість поля в однорідному діелектрику менша, ніж напруженість поля у вакуумі, якщо ці поля створені одними і тими ж са­мими вільними зарядами, називається відносною діелект­ричною проникністю середовища є:

Поляризація середовища і діелектриків, зокрема, є процес утворення об'ємного дипольного електричного мо­менту середовища. Поляризація може здійснюватися не тільки під дією електричного поля, а й деяких інших фак­торів, наприклад, механічних напруг (п'єзоелектричний ефект). Мірою поляризації діелектрика є вектор діелект­ричної поляризації Р, який дорівнює сумарному диполь­ному моменту молекул, віднесеному до об'єму V, в якому вони містяться, тобто

(2.21)

де N - число молекул в об'ємі V, рі - дипольний момент частинки. Ступінь поляризації можна наближено вважати пропорційним до напруженості поля Е:

(2.22)

де - діелектрична сприйнятливість - безрозмірна ве­личина, яка для вакууму дорівнює нулю, а для діелектриків є додатним числом

Електрична індукція в діелектрику визначається сумою двох доданків:

(2.23)

або з врахуванням (2.22):

(2.24)

Порівнюючи (2.3) і (2.24), дістанемо де

відносна діелектрична проникність. Обидві макроскопічні величини є безрозмірними і характеризують здатність речовини до поляризації. У таблиці 2.1 наведені значення діелектричної проникності є для ряду речовин при кімнат­них температурах і постійних електричних полях.

Механізми поляризації діелектрика різноманітні і зале­жать від характеру хімічного зв'язку атомів у молекулі. Роз­різняють діелектрики з полярними і неполярними молеку­лами. Діелектрики, в молекулах яких центри просторового розподілу позитивних і негативних зарядів збігаються, на­зивають неполярними. До діелектриків цієї групи нале­жать: парафін, бензол та інші вуглеводи. За відсутності зовнішнього поля дипольний момент таких молекул дорівнює нулю. Полярними називають молекули, в яких центри позитивних і негативних зарядів не збігаються. Полярні молекули за відсутності електричного поля мають відмінний від нуля дипольний момент р = ql, який називають власним. Якщо в електричному полі відстань l не змінюється, то такі молекулярні диполі нази­вають жорсткими. До діелектриків з полярними молекула­ми (полярних діелектриків) належать речовини, що мають асиметричні молекули: органічні ки­слоти тощо.

Таблиця 2 .1.

Розглянемо основні види поляризації.

Орієнтаційна поляризація. За відсутності зовнішнього поля в рідинах та газах з полярними молекулами вектор поляризації Р = 0 (мал. 2.10а). Зовнішнє поле намагається зорієнтувати полярні молекули вздовж силових ліній. Внаслідок спільної дії двох факторів (зовнішнього поля і хаотичного теплового руху) у діелектрику з'являється пере­важаюча орієнтація молекулярних диполів у напрямку поля (мал. 2.10б).

Деформаційна (електронна) поляризація обумовлена зміщенням електричних зарядів в атомах і молекулах під дією зовнішнього електричного поля, що призводить до по­яви дипольного моменту р у цих частинок (мал. 2.11). Цей індукований момент зникає при вимкненні поля. Його ве­личина в слабких полях лінійно залежить від напруженості поля, тобто

(2.25)

де Е - електричне поле в місці знаходження частинки, а -коефіцієнт, який називають поляризованістю молекули. За­уважимо, що діелектрична сприйнятливість де -кількість диполів в одиниці об'єму. Такі молекули, на відміну від молекул полярного діелектрика, є нежорсткими дипольними молекулами, їх плече

Мал. 2.10а. Мал. 2.106. Мал. 2.11.