2.11. Електричне поле в речовині. Діелектрики, напівпровідники, провідники.
Будь-яка речовина побудована з заряджених частинок (електронів, ядер).
Це твердження має два очевидних наслідки:
заряди частинок, з яких складається речовина, створюють в речовині (і, почасти, за її межами) електричні поля;
якщо речовина знаходиться в зовнішньому електричному полі, на заряди, що входять до її складу, діють електричні сили; отже, речовина реагує на зовнішнє електричне поле, що супроводжується певною зміною її стану.
Реакція речовини на дію електричного поля, природно, залежіть від будови речовини. Історично (і не тільки!) речовини (за їх поведінкою в електричному полі) прийнято розподіляти на три типи: діелектрики, напівпровідники і провідники. Дамо класичне визначення речовин, які належать до типів діелектриків і провідників.
Діелектрики – це речовини, в яких заряди є локалізованими в макроскопічно дуже малих областях (наприклад, в межах молекул) – такі заряди мають назву зв’язаних. Під дією електричного поля заряди можуть дещо зміщуватись в областях своїх локалізацій, але не здатні переміщуватись по всьому об’ємі системи.
Провідники – речовини, до складу яких входять майже вільні (делокалізовані) заряди. Під дією електричного поля ці майже вільні заряди можуть переміщуватись по всьому об’ємі системи, отже, переносити заряд, створюючи струм. Характерними представниками провідників є метали.
Напівпровідники за своєю фізичною природою є значно ближчими до діелектриків, ніж до провідників.
Вичерпну інтерпретацію фізичної природи діелектриків, напівпровідників і металів дає квантова фізика.
12. Мікроскопічні і макроскопічні електричні поля в речовині.
Опис електричного поля в речовині є однією з найбільш важливих і фундаментальних задач електродинаміки (недарма однією з найбільш ґрунтовних і популярних книг з багатотомника “Теоретична фізика” Л.Д. Ландау & Company є “Електродинаміка суцільних середовищ”).
Опис електричного поля в речовині методологічно може будуватись на двох альтернативних концепціях.
При описі електричного поля в речовині повністю враховується інформація про мікроскопічну будову речовини, тобто про внутрішню структуру молекул, атомів тощо.
Опис електричного поля в речовині проводиться в континуальному наближенні (наближенні суцільного середовища), яке ігнорує внутрішню мікроскопічну будову речовини, а для характеристики речовини використовує певні макроскопічні параметри.
Застосування мікроскопічного методу пов’язане з використанням квантовою механіки і дозволяє обчислювати здебільшого власні поля в молекулах чи атомах, а це не зовсім те, що нам треба. Дійсно, нас цікавить не власне мікроскопічне поле речовини, як таке, а його слабка зміна як реакція на дію слабкого (в порівнянні з власним) зовнішнього електричного поля. Тому опис електричного поля в речовині з використанням континуального наближення виявляється більш простим і продуктивним.
Ясно, що мікроскопічний опис електричного поля в речовині призведе до визначення мікроскопічного поля, тобто поля, яке враховує всі деталі мікроскопічної будови речовини.
В континуальному наближенні речовина розглядається як суцільне середовище, якому відповідає макроскопічне електричне поле.
Зрозуміло, що мікро- і макроскопічне поля мають бути пов’язані між собою; треба тільки визначити схему обчислення макроскопічного поля за відомим мікроскопічним полем.
П
рипустимо,
що нам необхідно визначити напруженість
або потенціал макроскопічного електричного
поля в точці “О” системи, заповненої
речовиною, при умові, що мікроскопічне
поле в системі є визначеним (рис. 12.).
Оточимо точку “О” об’ємом
,
якій задовольняє двом умовам:
лінійні розміри
області
набагато більші за лінійні розміри
молекул
;лінійні розміри області набагато менші за лінійні розміри системи , тобто
. (2.12.1)
В подальшому об’єм будемо називати фізично нескінченно малим об’ємом (ФНМО). Проведемо усереднення мікроскопічного електричного поля (напруженості або потенціалу – не має значення) по ФНМО
(2.12.2)
Зрозуміло, що описану вище процедуру можна застосувати для довільної точки в межах системи. Тепер ми можемо визначити макроскопічне поле наступним чином
(2.12.3)
де
- вектор, що характеризує розташування
точки “О” в системі.
Мікроскопічне поле в межах формується з:
полів молекул, які знаходяться в ФНМО;
полів молекул, які лежать за межами ФНМО;
зовнішніх по відношенню до системи полів.
Важливим є та обставина, що всі молекули, які знаходяться за межами ФНМО, знаходяться від точки “О” на відстанях, набагато більших за лінійні розміри молекул. Отже, поле, яке створюється оточенням в межах ФНМО можна обчислювати в дипольному наближені.