4. Диэлектрики. Поляризация диэлектриков. Электрическое смещение.

Диэлектрики – вещества, обладающие малой электропроводностью, т.к. у них очень мало свободных заряженных частиц – электронов и ионов. Эти частицы появляются в диэлектриках только при нагреве до высоких температур.

Существуют диэлектрики газообразные (газы, воздух), жидкие (масла, жидкие органические вещества) и твердые (парафин, полиэтилен, слюда, керамика и т.п.).

Молекула диэлектрика, как и молекула любого другого вещества, электрически нейтральна. Это означает, что суммарный отрицательный заряд электронов равен суммарному положительному заряду ядер. Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул, либо из заряженных ионов, находящихся в узлах кристалличе­ской решетки.

Диэлектрики – вещества, не имеющие свободных зарядов, а потому не способные проводить постоянный электрический ток. Делятся на две группы: неполярные и полярные диэлектрики. Они различаются строением молекул.

Если у молекулы в отсутствие внешнего электрического поля центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают, то есть дипольный момент молекулы , то такие молекулы называются неполярными. К ним относятся молекулы H2, O2, N2. Неполярные диэлектрики не ведут себя как диполи. 

Молекулы, у которых в отсутствие внешнего поля центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают, то есть существует дипольный момент , называются полярными. К ним относятся H2O, CO, NH, HCl, SO4 и др. Молекулы полярных диэлектриков с точки зрения электрических свойств являются диполями.

По­лярные молекулы обладают собственным дипольным момен­том р, неполярные – нет.

Третью группу диэлектриков (NaCl, KCl, КВr, ...) составляют вещества, молекулы которых имеют ионное строение. Ионные кристаллы представляют собой простра­нственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков. В этих кри­сталлах нельзя выделить отдельные молекулы, а рассматривать их можно как систему двух вдвинутых одна в другую ионных подрешеток. При наложении на ионный кристалл электрического поля происходит некоторая деформация кристаллической решетки или относительное смещение подрешеток, приводящее к возни­кновению дипольных моментов.

В электрическом поле любой диэлектрик становится полярным, т.е. способен поляризоваться под воздействием внешнего электрического поля.

ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появление под воздействием электрического поля ориентированных по полю диполей, т.е. возникновение дипольного момента в диэлектрике называется ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ.

 Под действием внешнего электрического поля происходит поляризация диэлектрика:

Если диэлектрик состоит из неполярных моле­кул, то в пределах каждой молекулы происходит смещение за­рядов — положительных по полю, отрицательных против поля. 

Слева изображена симметричная электронная орбита в атоме неполярного диэлектрика. При наложении внешнего поля E0 эта орбита деформируется (рис. справа): электрон смещается в сторону положительных зарядов, создающих внешнее поле. Центры положительных и отрицательных зарядов в атоме неполярного диэлектрика разойдутся в разные стороны. То есть получаем как бы диполь, но не диполь.

Если же диэлектрик состоит из полярных молекул, то при отсутствии внешнего электрического поля молекулы-диполи полярного диэлектрика, совершая хаотическое тепловое движение, ориентированы в самых разных направлениях. Электрические поля этих диполей полностью компенсируют друг друга, и результирующее поле равно нулю во всех областях диэлектрика. Но если поместить такой диэлектрик во внешнее поле E0, то оно «развернёт» диполи так, что они окажутся ориентированными вдоль линий напряжённости («минусы» диполей повернутся влево — к тем «плюсам», которые создают внешнее поле).

Независимо от механизма поляризации в этом процессе все положительные заряды смещаются по полю, а отрицательные — против поля. Смещения зарядов в обычных условиях весьма малы даже по сравнению с размерами молекул, это связано с тем, что напряженность внешнего поля Е0, действующего на диэлектрик, значительно меньше на­пряженности внутренних электрических полей Е’ в молекулах. 

Необходимо отметить две группы поляризации:

- упругая поляризация, протекающая практически мгновенно под действием электрического поля, не сопровождающаяся рассеянием (потерями) энергии в диэлектрике (выделением теплоты);

- релаксационная поляризация, нарастающая и убывающая в течение некоторого промежутка времени и сопровождающаяся рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием.

Типы поляризации:

Трём типам диэлектриков соответствуют три типа поляризации

ЭЛЕКТРОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ – возникновение дипольного момента в неполярных молекулах. Под действием поля электрон смещается в сторону положительных зарядов, создающих внешнее поле. Центры положительных и отрицательных зарядов в атоме неполярного диэлектрика разойдутся в разные стороны. Электронная поляризация обусловлена смещением электронной оболочки атома относительно ядра во внешнем поле.

ИОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ – Поляризация обусловлена смещением упруго связанных ионов. Характерна для твердых тел с ионным строением, т.е. для кристаллических диэлектриков. Всякий ионный кристалл состоит из положительных и отрицательных ионов, расположенных в узлах кристаллической решетки. При наложении напряжения в нем начинают действовать электрические силы, и ионы смещаются: положительные – в одном направлении (вдоль поля), отрицательные – в противоположном (против поля).

 Электронная и ионная поляризации относятся к упругой поляризации.

ОРИЕНТАЦИОННАЯ (ДИПОЛЬНАЯ) ПОЛЯРИЗАЦИЯ – возникновение дипольного момента в диэлектрике с полярными молекулами вследствие ориентации дипольных моментов молекул по направлению поля. Тепловое движение препятствует полной ориентации молекул, но в результате совместного действия обоих факторов (электрическое поле и тепловое движение) возникает преимущественная ориентация дипольных моментов молекул по полю. Эта ориентация тем сильнее, чем больше напряженность электрического поля и ниже температура.

У полярных диэлектриков диполи существуют от природы без всякого внешнего поля, но ориентированы хаотически. Во внешнем поле диполи поворачиваются и выстраиваются вдоль линий внешнего поля, происходит поляризация, которая называется ориентационной.

Напряженность поля в диэлектрике.

 В результате поляризации молекула приобретает дипольный момент , величина которого пропорциональна полю

где α – поляризуемость молекулы (характеризует «реакцию» молекулы на электрическое поле). α – характеристика 1 атома или иона.

Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε.

В качестве величины, характеризующей степень поляризации диэлектрика, принимается вектор  ПОЛЯРИЗОВАННОСТИ  - дипольный момент единицы объема (или плотность дипольного момента)

где χ – ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ВОСПРИМЧИВОСТЬ вещества, показывает, как диэлектрик реагирует (воспринимает) на внешнее электрическое поле.

χ – величина безразмерная; притом всегда χ > 0. Для большинства диэлектриков эта величина порядка 1, но для воды она равна 80, а для спирта – 30.

Диэлектрическая восприимчивость зависит от: химического состава и примесей, агрегатного состояния и температуры для полярных диэлектриков.

Если α – характеристика отдельной молекулы (иона), χ – характеристика всего диэлектрика, то есть характеристика вещества в целом. χ не зависит от   и  в слабых полях. 

\Если между пластинами плоского конденсатора поместить слой диэлектрика, то в результате поляризации положительные заряды в диэлектрике сместятся по полю, а отрицательные – против поля, и на правой грани (по рисунку) возникнет избыток положительных, а на левой гране – избыток отрицательных зарядов с поверхностной плотностью +σ’ и –σ’. Эти заряды создадут внутри диэлектрической пластины однородное поле, напряженность которого по теореме Гаусса равна

Безразмерная величина  называется ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ среды.

Диэлектрическая проницаемость среды — это физическая величина, показывающая, во сколько раз мо­дуль напряженности электрического поля  внутри однородного ди­электрика меньше модуля напряжен­ности поля  в вакууме.

Она вводится для характеристики электриче­ских свойств диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость среды показывает во сколько раз поле ослабляется диэлектриком.

Диэлектрическая проницаемость воздуха и большинства других газов в нормальных условиях близка к единице (в силу их низкой плотности). Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8. Диэлектрическая постоянная воды в статическом поле достаточно высока — около 80. Велики её значения для веществ с молекулами, обладающими большим электрическим дипольным моментом.

Электрическое смещение. 

Для описания электрического поля, в частности, в диэлектрике, вводят в рассмотрение вектор электрического смещения (вектор электростатической индукции) , равный

Результирующее поле в диэлектрике описывается вектором напряженности .  зависит от свойств диэлектрика (от ε). Вектором описывается электростатическое поле, создаваемое свободными зарядами. Связанные заряды, возникающие в диэлектрике, могут вызвать перераспределение свободных зарядов, создающих поле. Поэтому вектор  характеризует электростатическое поле, создаваемое свободными зарядами (т.е. в вакууме), но при таком их распределении в пространстве, какое имеется при наличии диэлектрика.

Аналогично, как и поле  Е, поле D изображается с помощью линий электрического смещения, направление и густота которых определяются точно так же, как и для линий напряженности.

Линии вектора Е могут начинаться и заканчиваться на любых зарядах — свободных и связанных, в то время как линии вектора D — только на свободных зарядах. Через области поля, где находятся связанные заряды, линии вектора D проходят не прерываясь.

Для произвольной замкнутой поверхности S поток вектора  D сквозь эту поверхность

Поток вектора смещения электростатического поля в диэлектрике сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности свободных электрических зарядов.

В такой форме теорема Гаусса справедлива для электростатического поля как для однородной, так и для неоднородной сред.