1.11. Классификация диэлектриков. Явление поляризации диэлектриков. Вектор поляризации. Поляризованность – количественная мера поляризации диэлектрика. Диэлектрическая восприимчивость.

По отношению к действию электростатического поля все вещества можно разделить на проводники, полупроводники и диэлектрики. Диэлектрики, состоящие из нейтральных атомов или молекул, практически не содержат свободных носителей заряда и потому плохо проводят электрический ток, т.е. являются в обычных условиях изоляторами. В зависимости от химического соста­ва и строения различают полярные и неполярные диэлектрики, а также ионные кри­сталлические диэлектрики и сегнетоэлектрики.

Возникновение под действием электрического поля на поверхности диэлектрика электрических зарядов противоположных знаков, т.е. электрических полюсов, полу­чило название поляризации.

В случае неоднородных диэлектриков, или внешних неоднородных полей, кроме поверхностных зарядов возникают объемные связанные заряды. Такие заряды называются поляризационными зарядами.

Если нейтральная микрочастица в отсутствие поля не имеет дипольного момента (атомы и неполярные молекулы), то под действием поля ее связанные заряды противо­положных знаков сместятся в противоположных направлениях: положительные ядра — в направлении поля Е, а электронные оболочки — в обратном направлении (рис. 2, в). Микрочастицы приобретут дипольный момент ре, который будет про­порционален напряженности Е поля. Такие диполи, возникающие при «деформации» атомов и молекул в поле, называются квазиупругими диполями. Их дипольный момент

Для характеристики степени поляризации диэлектрика используется поляризованностъ {вектор поляризации) Р, которая равна дипольному моменту единицы объема диэлектрика с однородной или неоднородной (Р = P(х, у, z)) поляризацией, т.е.

поляризованность неполярно­го диэлектрика

формула Клаузиуса — Моссотти¹:

поляризованность любого диэлектрика

1.12. Электрическое поле в диэлектрике. Диэлектрическая проницаемость. Электрический диполь во внешнем электростатическом поле. Изотропные и анизотропные диэлектрики. Сегнетоэлектрики.

Собственное электрическое поле в диэлек­трической среде создается зарядами (электронами и протонами), которые принадлежат отдельным нейтральным микрочастицам (атомам и молекулам в полярных или непо­лярных диэлектриках и сегнетоэлектриках) или ионам (в случае ионных кристалличе­ских диэлектриков).

Поэтому элементарные заряды микрочастиц не могут свободно перемещаться в объеме диэлектрика, их называют связанными зарядами (в отличие от свободных зарядов в проводниках).

Пред­положим, что электростатическое поле в вакууме создано двумя бесконечными пла­стинами, которым сообщены равные по величине и противоположные по знаку заряды (q₊=q_-=q), т.е. мы имеем дело с полем плоского конденсатора в ва­кууме. Если пренебречь краевыми эффектами, то напряженность Е₀ практически од­нородного электрического поля внутри конденсатора можно выразить через разность потенциалов обкладок конденсатора (Е = -grad φ):

поле Е внутри диэлектрика будет меньше, чем в случае вакуума:

Рассчитаем потенциальную энергию диполя, которая равна сумме энергий П₊ и П_{-_} зарядов, образующих диполь ( l = Axi + Ayj + Azk):

Потенциалы φ₊ и φ_ поля в точках расположения зарядов q₊ и q_- разложим в ряд по отношению к центру диполя, имеющего координаты х, у, z .

используя аналогию в описании по­ступательного и вращательного движений, можно вращательный момент действую­щих на диполь сил F₊ и F_- определить по формуле:

(1.9)

электрическое поле стремится распо­ложить диполь так, чтобы момент М был равен нулю, т.е. поле оказывает ориентирую­щее действие на диполи.

В сегнетоэлектриках, как и в полярных диэлектриках , наблюдается явление насыщения для поляризованности Р. Однако если при повышении напряженности Е увеличение поляризованности Р определяется кривой 1, то при сниже­нии Е имеет место «запаздывание» в уменьшении поляризованности Р

Экспериментальные и теоретические исследования показали, что поляризация сегнетоэлектриков является следствием взаимодействия всех молекул сегнетоэлектри­ка, в связи с чем диполи элементарных ячеек кристалла выстраиваются в определенном направлении под действием внутреннего электрического поля, созданного соседними молекулами сегнетоэлектрика.

При этом образуются самопроизвольно поляризован­ные области — домены (рис. 4, а), в пределах которых все упомянутые диполи ориентированы в одном направлении. Эта спонтанная (самопроизвольная) поляриза­ция соответствует минимуму энергии домена.

Превращение сегнетоэлектрика в обычный полярный диэлектрик может сопровож­даться скачкообразным изменением термодинамических функций — фазовый пере­ход первого рода.