Поляризация диэлектриков

Если диэлектрик с полярными молекулами не находится в электрическом поле, то вследствие беспорядочного теплового движения электрические моменты молекул (дипольные моменты) не имеют определенной ориентации, т. е. располагаются хаотично. Поэтому векторная сумма дипольных моментов в произвольном объ-еме DV, много большем, чем объем одной молекулы, равна нулю. Сумма дипольных моментов молекул неполярного диэлектрика в отсутствии электрического поля также равна нулю, но вследствие того, что молекулы дипольным моментом не обладают.

Иная картина наблюдается при внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле с напряженностью . Под действием поля полярные молекулы диэлектрика, которые можно рассматривать как жесткие диполи, будут поворачиваться, а их дипольные моменты ориентироваться в какой-то степени по направлению поля (тепловое движение молекул препятствует их установлению вдоль поля). В результате совместного ориентирующего действия внешнего поля и дезориентирующего действия теплового движения возникает некоторая преимущественная ориентация дипольных моментов молекул вдоль поля. Чем больше напряженность электрического поля, тем выше упорядоченность диполей, тем больше суммарный дипольный момент молекул. Описанный процесс носит название ориентационной поляризации (рис. 45.1).

Под действием электрического поля в неполярных молекулах происходит смещение зарядов на весьма малые расстояния. При этом молекулы приобретают дипольный момент, всегда направленный вдоль электрического поля.

Этот процесс называется деформационной поляризацией. Во внешнем поле некоторый объем неполярного диэлектрика приобретает суммарный дипольный момент (рис. 45.2).

Реальные молекулы всегда в той или иной мере обладают способностью к ориентационной и к деформационной поляризации. В случае кристаллических диэлектриков, имеющих ионное строение, внесение их в электрическое поле приводит к смещению положительных ионов в направлении и отрицательных – в сторону противоположную. Такого типа поляризация называется ионной. В электрическом поле кристаллический диэлектрик в целом будет обладать дипольным моментом, направленным вдоль поля и пропорциональным его напряженности.

Состояние поляризации диэлектрика принято характеризовать поляризованностью . Поляризованность - физическая величина, численно равная отношению суммарного электрического момента некоторого объема диэлектрика к этому объему:

. (45.1)

Если поле неоднородно, то берется предел этого отношения при . Для однородного диэлектрика, находящегося в однородном поле,

, (45.2)

где n - количество молекул в единице объема, - дипольный момент одной молекулы.

Единица поляризованности - кулон на метр в квадрате (Кл/м²)

Суммарный дипольный момент диэлектрика совпадает с направлением напряженности и пропорционален ее значению. Следовательно, Р ~ E. Эту зависимость можно записать в виде равенства, введя коэффициент пропорциональности , который называется диэлектрическая восприимчивость вещества:

. (45.3)

Диэлектрическая восприимчивость - безразмерная величина. Она зависит от числа молекул в единице объема и характеризует способность диэлектрика поляризоваться в электрическом поле. При деформационной поляризации она является мерой деформации электронной оболочки молекулы, при ориентационной – мерой ориентации диполей по направлению электрического поля, при ионной - мерой смещения ионов в кристалле. Диэлектрическая восприимчивость неполярных диэлектриков не зависит от температуры, а полярных - уменьшается с повышением температуры.

Линейная зависимость поляризованности диэлектрика от напряженности поля, определяемая формулой (45.3), имеет место в слабых полях, значительно меньших внутриатомных. В сильных полях свойства вещества зависят от напряженности поля и потому наблюдается так называемая нелинейная поляризация.