Диэлектрики в электростатическом поле

Диэлектрики – вещества, которые практически не проводят электрический ток (изоляторы). В отличие от проводников в диэлектриках нет свободных носителей тока.

Молекулы диэлектрика электрически нейтральны: суммарный заряд электронов и атомных ядер, входящих в состав молекулы равен 0. Однако молекулы обладают электрическими свойствами.

В первом приближении молекулу можно рассматривать как электрический диполь с дипольным моментом , где q – суммарный положительный заряд всех атомных ядер в молекуле; – вектор, проведенный из «центра тяжести» электронов в молекуле к «центру тяжести» положительных зарядов атомных ядер. Как всякий электрический диполь, молекула создает электрическое поле.

У симметричных молекул (Н₂, О₂, N₂) в отсутствие внешнего поля = 0 (т.е. «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов совпадают) и . Такие молекулы называются неполярными, а диэлектрик – неполярным.

У несимметричных молекул (СО₂, NH₃, HCl) «центры тяжести» зарядов сдвинуты друг относительно друга. и , т.е. молекулы обладают собственным дипольным моментом Такие молекулы называются полярными, а диэлектрик – полярным. У таких молекул (жесткий диполь).

Под действием внешнего электрического поля происходит поляризация диэлектрика.

У неполярного диэлектрика происходит деформация электронных оболочек атомов и молекул. Центры тяжести положительных и отрицательных зарядов смещаются относительно друг друга и неполярная молекула приобретает во внешнем электрическом поле индуцированный дипольный момент, пропорциональный напряженности поля:

р = ε₀ α Е,

где α – поляризуемость молекулы. Такая поляризация называется электронной или деформационной.

У полярного диэлектрика, когда внешнее электрическое поле отсутствует, в результате хаотического теплового движения молекул векторы их дипольных моментов рориентированы хаотически. Поэтому суммарный дипольный момент полярного диэлектрика Σр_i =0.

Под действием внешнего электрического поля дипольные моменты молекул ориентируются в направлении вектора Е. Такая поляризация называется ориентационной или дипольной.

В ионных кристаллах (NaCl и др.) под влиянием внешнего электрического поля положительные и отрицательные ионы смещаются в противоположные стороны. Каждая ячейка кристалла становится диполем, и кристалл поляризуется. Такая поляризация называется ионной.

Количественной мерой поляризации диэлектрика является поляризованность диэлектрика Р:

,

где р_i –дипольный момент i-ой молекулы; N – общее число молекул в объеме ΔV.

Поляризованность Р изотропных диэлектриков любого типа связана с напряженностью Е поля соотношением

, (1.10)

где – диэлектрическая восприимчивость диэлектрика, не зависящая от Евеличина.

Различают два типа возбудителей (источников) электростатического поля в диэлектрике:

1) свободные заряды;

2) связанные или поляризационные заряды.

Например, поле в конденсаторе создается свободными зарядами на обкладках конденсатора с поверхностной плотностью σ и связанными зарядами с плотностью σ′, возникающими при поляризации диэлектрика.

Так как σ′ < σ,то результирующая напряженность поля равна

Е = Е₀ – Е′,

где Е₀ – напряженность внешнего поля; Е′ – напряженность поля, вызванного поляризацией диэлектрика.

Вычисление полей в диэлектрике упрощается, если ввести величину D, называемую вектором электрического смещения (электрической индукцией). Величина D характеризует электрическое поле, создаваемое только свободными зарядами, и определяется соотношением

D= ε₀ E + P. (1.11)

Подставляя (1.10) в (1.11), получаем

D = ε₀ (1 + )E. (1.12)

Безразмерная величина называется диэлектрической проницаемостью вещества. Для вакуума ε = 1, для диэлектриков ε > 1. Величина ε показывает, во сколько раз напряженность поля в вакууме больше напряженности поля в диэлектрике:

.

Таким образом, выражение (1.12) принимает вид

.

Следовательно, напряженность поля Е зависит от свойств среды, а электрическое смещение D – нет.