Типы диэлектриков. Явление поляризации

Рассматривая электрическое поле и его характеристики, мы не принимали в расчет среду, в которой оно возникает. Но поскольку вещества состоят из частиц, обладающих электрическими зарядами, то при внесении вещества в поле за счет этих зарядов должны изменяться и характеристики поля.

По способности проводить электрический ток вещества подразделяют на три типа: проводники, полупроводники (п /пр) и диэлектрики (д/э). Вещества, неспособные проводить электрический ток, называют диэлектриками. Идеальных диэлектриков не существует. К диэлектрикам относятся вещества, которые проводят ток в 10¹⁵ – 10²⁰ раз хуже, чем проводники. Отличие диэлектриков от проводников и полупроводников заключается в том, что в них отсутствуют свободные заряды (их крайне мало). Свободными зарядами являются электроны (в металлах и полупроводниках), дырки (в полупроводниках), ионы (в жидкостях и газах). Связанными зарядами называются заряды, входящие в состав атомов и молекул.

При наложении электрического поля на вещество (или помещении вещества в электрическое поле) свободные заряды мгновенно перемещаются и создают обратное поле, полностью компенсирующее внешнее. Поэтому в проводниках напряженность электрического поля внутри них (при отсутствии тока) равна нулю. Другая картина наблюдается в диэлектрике. Различают неполярныеи полярные диэлектрики. Молекулы диэлектрика электрически нейтральны, т.е. содержат равное число положительных и отрицательных зарядов, а их электрические свойства определяются расположением положительных и отрицательных зарядов относительно друг друга.

Молекулу диэлектрика можно рассматривать как диполь. Диэлектрик называется неполярным, если электроны атомов расположены симметрично относительно ядер (например, у газов Н₂ , О₂ , СО₂ , СН₄ и др.). В таких молекулах в отсутствие внешнего электрического поля центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают и дипольный момент молекулы равен нулю р = 0. Дипольным моментом, как мы уже знаем, называют произведение заряда Q на плечо l диполя p = Ql. Для неполярных молекул l = 0, а значит и р = 0. Если неполярный диэлектрик поместить в электрическое поле, то происходит деформация электронных оболочек и смещение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов друг относительно друга, т.е. плечо диполя становится отличным от нуля (l ≠ 0). В молекуле (атоме) происходит поляризация, возникает дипольный момент молекулы, пропорциональный напряженности поля Е:

где χ (хи) – диэлектрическая восприимчивость (коэффициент поляризуемости).

Полярным диэлектриком называется такой диэлектрик, молекулы которого имеют электроны, расположенные несимметрично относительно ядер (например, у Н₂О, НСl, NH₃ и др.). В таких молекулах центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают и находятся на постоянном расстоянии l и обладают всегда дипольным моментом

p=Ql ≠ 0.

Рис. 83

На такой диполь, помещенный в электрическое поле с напряженностью Е, будет действовать пара сил, момент которой M =[ pE] стремится повернуть диполь так, чтобы он сориентировался по полю, т.е. р и Е совпали бы по направлению (тогда

или

), рис. 83.

Таким образом, в результате действия поля молекулы полярного диэлектрика стремятся занять единообразное положение в пространстве, а именно такое, при котором векторы р и Е совпадают по направлению. Говорят, что диэлектрик поляризуется. Этому препятствует тепловое хаотическое движение молекул, поэтому в отсутствие поля диэлектрик неполяризован.

Поляризацией называют такое состояние вещества, при котором любой элемент его объема во внешнем электрическом поле приобретает электрический дипольный момент. Количественной мерой поляризации диэлектрика является вектор поляризации – отношение электрического дипольного момента малого объема ΔV к величине этого объема ΔV

где p_i – электрический дипольный момент i-й молекулы; n – число молекул в объеме ΔV. Из опыта следует, что вектор поляризации Р линейно зависит от напряженности поля Е. Подставляя , получим

где χ – диэлектрическая восприимчивость вещества, характеризующая свойства диэлектрика, величина безразмерная и всегда больше 0. Поляризация неполярных молекул называется электронной, а полярных – ориентационной.

Диэлектрическая восприимчивость вещества в слабом внешнем электрическом поле вычисляется по формуле Дебая-Ланжевена

где n₀ - концентрация молекул, р – дипольный момент молекулы, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура диэлектрика. Диэлектрическая восприимчивость обратно пропорциональна температуре. С понижением температуры энергия хаотического движения молекул уменьшается, а значит снижается способность молекул произвольно разбросать диполи в пространстве. Поэтому достаточно слабого электрического поля, чтобы все молекулы сориентировать по полю. В этом смысле надо понимать диэлектрическую восприимчивость. Она характеризует способность диэлектрика в той или иной мере поляризоваться.