ФИЗИКА

3.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ДИЭЛЕКТРИКАХ

Диэлектриками (или изоляторами) называются вещества, неспособные проводить электрический ток. Идеальных изоляторов в природе не существует. Все вещества хотя бы в ничтожной степени проводят электрический ток. Однако вещества, называемые диэлектриками проводят ток в раз хуже, чем вещества, называемые проводниками.

Если диэлектрик внести в электрическое поле, то это поле и сам диэлектрик претерпевает существенные изменения. Чтобы понять, почему это происходит, нужно учесть, что в составе атомов и молекул имеются положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны.

Всякая молекула представляет собой систему с суммарным зарядом, равным нулю. Линейные размеры этой системы порядка нескольких ангстрем (). Поле, создаваемое подобной системой, определяется величиной и ориентацией дипольного электрического момента (пункт 3.1.5). Поведение молекулы во внешнем электрическом поле также определяется её дипольным моментом.

Таким образом, молекула как в отношении создаваемого ею поля, так и в отношении испытываемых ею во внешнем поле сил, эквивалентна диполю. Положительный заряд этого диполя равен суммарному заряду ядер и помещается в «центре тяжести» положительных зарядов; отрицательный заряд равен суммарному заряду электронов и помещается в «центре тяжести» отрицательных зарядов.

У симметричных молекул (таких как H2, O2, N2...) в отсутствии внешнего поля центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают. Такие молекулы не обладают собственным дипольным моментом и называются неполярными. У несимметричных молекул (таких, например, как CO, NH, HCl и т.п.) центры тяжести зарядов разных знаков сдвинуты друг относительно друга. В этом случае молекулы обладают собственным дипольным моментом и называются полярными.

Под действием внешнего электрического поля заряды в неполярной молекуле смещаются друг относительно друга: положительные по направлению поля, отрицательные против поля. В результате молекула приобретает дипольный момент, величина которого, как показывает опыт, пропорциональна напряжённости поля

(3.2.1)

.

где ε0 – электрическая постоянная;

β – величина, называемая поляризуемостью молекулы.

Такая поляризация называется электронной.

Процесс поляризации неполярной молекулы протекает так, как если бы положительные и отрицательные заряды были связаны друг с другом упругими силами. Поэтому говорят, что неполярная молекула ведёт себя во внешнем поле как упругий диполь.

Действие внешнего поля на полярную молекулу сводится в основном к стремлению повернуть молекулы так, чтобы её дипольный момент установился по направлению поля. На величину дипольного момента внешнее поле практически не влияет. Следовательно, полярная молекула ведёт себя во внешнем поле как жёсткий диполь.

Обычно в отсутствии внешнего электрического поля дипольные моменты молекул диэлектрика либо равны нулю (неполярные молекулы), либо распределены по направлениям в пространстве хаотическим образом (полярные молекулы). В обоих случаях суммарный дипольный момент диэлектрика равен нулю.

Под действием внешнего поля диэлектрик поляризуется. Это означает, что результирующий дипольный момент диэлектрика становится отличным от нуля. В качестве величины, характеризующей степень поляризации диэлектрика, естественно взять дипольный момент единицы объёма. Если поле или диэлектрик неоднородны, степень поляризации в разных точках диэлектрика будет различна. Чтобы охарактеризовать поляризацию в данной точке, нужно выделить заключающий в себе эту точку физически бесконечно малый объём , найти сумму моментов, заключённых в этом объёме молекул и взять отношение

(3.2.2)

.

Векторная величина , определяемая соотношением (3.2.2), называется поляризованностью диэлектрика.

У изотропных диэлектриков любого типа поляризованность связана с напряжённостью поля в той же точке простым соотношением:

(3.2.3)

,

где χ – диэлектрическая восприимчивость диэлектрика (χ – безразмерная величина).

В случае диэлектриков, построенных из полярных молекул, ориентирующему действию внешнего поля противится тепловое движение молекул, стремящееся разбросать их дипольные моменты по всем направлениям. В результате устанавливается некоторая преимущественная ориентация дипольных моментов молекул в направлении поля. Такая поляризация называется ориентационной. Соответствующий статистический расчёт приводит к формуле (3.2.3). Диэлектрическая восприимчивость таких диэлектриков обратно пропорциональна абсолютной температуре.

В ионных кристаллах отдельные молекулы утрачивают свою обособленность. Весь кристалл представляет собой как бы одну гигантскую молекулу. Решётку ионного кристалла можно рассматривать как две вставленные друг в друга решётки, одна из которых образована положительными, а другая отрицательными ионами. При действии на ионы кристалла внешнего поля обе решётки сдвигаются друг относительно друга, что приводит к поляризации диэлектрика. Такая поляризация называется ионной. Поляризованность и в этом случае связана с напряжённостью поля соотношением (3,2.3). Отметим, что описываемая формулой (3.2.3) линейная зависимость между и имеет место лишь в не слишком сильных полях.

к к к