8) Виды поляризации диэлектриков

В идеальном диэлектрике свободных зарядов, то есть способных перемещаться на значительные расстояния (превосходящие расстояния между атомами), нет. Но это не значит, что диэлектрик, помещенный в электростатическое поле, не реагирует на него, что в нем ничего не происходит.

Любое вещество состоит из атомов, образованных положительными ядрами и отрицательными электронами. Поэтому в диэлектриках происходит поляризация.

Смещение электрических зарядов вещества под действием электрического поля называется поляризацией. Способность к поляризации является основным свойством диэлектриков.

Видов поляризации много. Поляризация диэлектрика включает составляющие – электронную, ионную и ориентационную (дипольную). Рис. 4.1 иллюстрирует механизм этих видов поляризуемости.

Рис. 4.1

Электронная поляризуемость обусловлена смещением электронной оболочки атома относительно ядра. Ионная поляризуемость вызвана смещением заряженных ионов по отношению к другим ионам. Ориентационная (дипольная) поляризуемость возникает, когда вещество состоит из молекул, обладающих постоянными электрическими дипольными моментами, которые могут более или менее свободно изменять свою ориентацию во внешнем электрическом поле.

Есть и другие виды поляризации. Главное в поляризации – смещение зарядов в электростатическом поле. В результате, каждая молекула или атом образует электрический момент p (рис. 4.2):

9) Поляризованность р.

Диэлектрик, помещенный во внешнее электрическое поле, поляризуется под действием этого поля. Поляризацией диэлектрика называется процесс приобретения им отличного от нуля макроскопического дипольного момента.

Степень поляризации диэлектрика характеризуется векторной величиной, которая называется поляризованостью или вектором поляризации (P). Поляризованность определяется как электрический момент единицы объема диэлектрика

, где N - число молекул в объеме.

Каждый малый объем dV (малый по сравнению с объемом

диэлектрического тела, но большой по сравнению с объемом

молекулы, атома или элементарной ячейки кристалла) приобретает

дипольный момент dp = ∑ pi

pi– дипольные моменты молекул

Дипольным моментом диполя(молекулы) называется векторная

величина: p = ql. Вектор l направлен от –q к +q. Векторная величина

P = dp/dv = n <p> - средний дипольный момент на концентрацию.

Поляризованность P часто называют поляризацией, понимая под этим количественную меру этого процесса.

10) Свойства поля вектора р.

Поле вектора Р обладает следующим свойством: поток вектора Р сквозь

произвольную замкнутую поверхность S равен взятому с обратным

знаком избыточному связанному заряду диэлектрика в объеме,

охватываемом поверхностью S.

Это уравнение выражает теорему Гаусса для вектора Р.

11) Вектор d.

Вектор электрической индукции D (называемый также электрическим смещением) является суммой двух векторов различной природы: напряжённости электрического поля Е - главной характеристики этого поля - и поляризации Р, которая определяет электрическое состояние вещества в этом поле. В системе Гаусса:

D = E + 4πP (1) (4π - постоянный коэффициент);

в системе СИ

D = e0E + P, (1с) где e0 - размерная константа, называемая электрической постоянной или диэлектрической проницаемостью вакуума.

Вектор поляризации Р представляет собой электрический дипольный момент единицы объёма вещества в поле Е, т. е. сумму электрических дипольных моментов pi, отдельных молекул внутри малого объёма ΔV, деленную на величину этого объёма:

Для изотропного диэлектрика с неполярными молекулами:где(каппа) - безразмерная величина называется диэлектрической восприимчивостью.

- относительная диэлектрическая проницаемость.

Смысл введения вектора электрической индукция (в физике) состоит в том, что поток вектора D через любую замкнутую поверхность S равен алгебраической сумме свободных зарядов, охватываемых этой поверхностью. А не всеми зарядами внутри объёма, ограниченного данной поверхностью, подобно потоку вектора Е. Это позволяет не рассматривать связанные (поляризационные) заряды и упрощает решение многих задач.