Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков.

Электрический диполь – система двух равных по модулю разноимённых точечных зарядов, расстояние между которыми меньше расстояния до рассматриваемых точек поля.

(Рисунок)

, где - электрический момент диполя (дипольный момент)

- плечо диполя.

Поляризацией диэлектриков называется явление поляризации диполя или появление под воздействием электрического поля ориентированных по полю диполей.

Различают три вида поляризации диэлектриков:

• электронная (деформационная) поляризация диэлектриков с неполярными молекулами (N₂, H₂, O₂).

Возникает за счёт деформации электрических полей.

• ориентационная (дипольная) поляризация. Заключается в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул (H₂O, NH₃, CO).

• ионная поляризация диэлектриков с ионными кристаллами заключается в том, что происходит смещение от кристаллической решётки положительных ионов вдоль поля, а отрицательных против поля, приводящих к возникновению дипольного момента (NaCl, KCl).

2.1. Полярные и неполярные молекулы

Каждая молекула или атом состоит из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов, которые движутся в про­странстве вокруг ядер. Размеры ядер малы по сравнению с диаметрами электронных орбит. Поэтому их можно считать так же, как и электроны, точечными зарядами. Итак, будем рассматривать молекулу как систему точечных зарядов. Как и любая система зарядов, молекула обладает электрическим дипольным моментом

(2.1),

где Q_i и r_i - заряд и радиус-вектор одной из частиц, входящих в состав молекулы; i - номер этой частицы. Слагаемые в сумме (2.1) удобно сгруппировать в соответствии со знаками заряженных частиц:

, (2.2)

где Q_j и r_j - заряд и радиус-вектор ядра с номером j; r_k - радиус-вектор

электрона под номером к.

Если молекула не "потеряла" Ни одного из своих электронов и не при­соединила к себе электроны от других молекул, то ее полный заряд будет равен нулю, т.е. положительный заряд

(2.3)

всех ядер в молекуле будет равен абсолютной величине заряда всех элек­тронов. Представим теперь электрический дипольный момент (2.2) мо­лекулы в виде

P = Ql, (2.4)

где

, (2.5)

Точка, радиус-вектор которой равен первому члену равенства, называется центром "тяжести" положительного заряда ядер, а точка, радиус-вектор которой равен второму члену, - центром "тяжести" отрицательного заряда электронов. Формула (2.4) совпадает по виду с формулой для электрического момента диполя, т.е. системы из двух зарядов Q и -Q. Заметим, что согласно (2.5) вектор l начинается в центре тяжести отрицательного заряда и заканчивается в центре тяжести заряда положительного. Если центры тяжести зарядов разных знаков совпадают, то электрический дипольный момент молеку­лы равен нулю.

Электрическое поле, создаваемое зарядами, которые не входят в со­став рассматриваемой системы, называется внешним по отношению к этой системе. Молекула называется неполярной, если ее электрический момент в отсутствие внешнего поля равен нулю (рис. 2.1).

Если неполярную молекулу поместить во внешнее электрическое по­ле, то под действием этого поля произойдет смещение зарядов. Поло^ жительно заряженные ядра атомов сместятся по направлению поля (т.е.

по направлению вектора Е напряженности этого поля), а отрицательно заряженные электроны - против поля. В результате центры тяжести за­рядов разделятся и электрический момент молекулы станет отличным от нуля. Этот процесс называется поляризацией молекулы, а молекула, приобретающая электрический момент под действием внешнего поля, на­зывается поляризованной.

Существуют молекулы, в которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов не совпадают, даже когда нет внешнего поля. Такие молекулы называются полярными (рис. 2.2). Полярная молекула во внешнем поле ведет себя как электрический диполь.

Рис. 2.1. Электрический момент молекулы водорода равен нулю, так как эта молекула симметрична

Рис. 2.2. Две модели молекулы соляной кислоты. Отрицательный за­ряд всех 18 электронов распределен в основном около атома хлора. Мо­лекула НС1 является полярной