Поляризация диэлектриков.

Диэлектриками называются вещества, в которых под действием поля не возникает перемещение зарядов, как, например, в проводниках. В диэлектриках они сдвигаются, но не перемещаются на большие расстояния.

Рассмотрим электрически нейтральный объем диэлектрика. Внешнее электрическое поле стремится сдвинуть положительные заряды в направлении , а отрицательные – в противоположном. В результате в одних областях пространства появляются положительные заряды, а в других – отрицательные, в результате чего диэлектрик приобретает дипольный момент. Этот процесс называется поляризацией. Степень поляризации характеризуется поляризованностью, определяемой как отношение дипольного момента   элемента диэлектрика к его объему  :  (11.4)

Диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость.

Поляризуемость — физическое свойство веществ приобретать электрический или магнитный дипольный момент (поляризацию) во внешнем электромагнитном поле.

Диэлектрическая восприимчивость (или поляризуемость) вещества — физическая величина, мера способности вещества поляризоваться под действием электрического поля. Диэлектрическая восприимчивость   — коэффициент линейной связи между поляризацией диэлектрика P и внешним электрическим полем E в достаточно малых полях.

В абсолютной системе единиц Гаусса диэлектрической восприимчивостью называется величина, в раз меньше в формуле (Для линейного изотропного диэлектрика):

Диэлектрическая восприимчивость большинства твёрдых и жидких диэлектриков выражается числами порядка нескольких единиц. Диэлектрическая восприимчивость большинства газов составляет тысячные доли и в большинстве случаев практически может не приниматься во внимание. Однако имеются диэлектрики, у которых восприимчивость достигает очень больших значений. Например, у воды =80, у спирта =25-30, у сегнетоэлектриков (сегнетовая соль, титанаты бария и т д.) диэлектрическая восприимчивость достигает нескольких тысяч единиц.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ, безразмерная величина  , показывающая, во сколько раз сила взаимодействия F между электрическими зарядами в данной среде меньше их силы взаимодействия   в вакууме:  Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком, количественно характеризуя свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле. Значение относительной диэлектрической проницаемости вещества, характеризующее степень его поляризуемости, определяется механизмами поляризации. Однако величина в большой мере зависит и от агрегатного состояния вещества, так как при переходах из одного состояния в другое существенно меняется плотность вещества, его вязкость и изотропность.

Билет 10. Объёмные и поверхностные поляризационные заряды и диэлектрики. Вектор электрического смещения. Теорема Гаусса при наличии диэлектрика. Граничные условия для вектора напряженности и смещения.

Билет 11.

Молекулярная картина поляризации диэлектриков

Диэлектрик состоит из атомов и молекул. Положительный заряд сосредоточен в ядрах атомов, а отрицательный – в электронных оболочках атомов и молекул. Всякая молекула представляет собой систему с суммарным зарядом, равным нулю. Поляризация не может изменить суммарного заряда вещества, она влияет только на распределение электрических зарядов в веществе, при этом механизм поляризации в разных диэлектриках различен.

Можно выделить два вида диэлектриков: неполярные и полярные. Если в атоме диэлектрика, при отсутствии внешнего электрического поля, центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают, то атом не обладает электрическим дипольным моментом. Аналогично, в молекулах отрицательные и положительные заряды могут быть распределены таким образом, что у них отсутствует дипольный момент. Такие атомы и молекулы называются неполярными. Например, атом гелия, двухатомные молекулы, состоящие из одинаковых атомов (H₂, N₂, O₂), некоторые многоатомные молекулы, такие, как CO₂,NH₄ и др. При отсутствии внешнего электрического поля такой диэлектрик неполяризован. Во внешнем поле положительные и отрицательные заряды смещаются в противоположных направлениях, в результате неполярные молекулы приобретают дипольный момент, и диэлектрик поляризуется.

Рис. 2.5

На схеме (рис. 2.5) неполярный диэлектрик изображен прямоугольным параллелепипедом, а поляризованные молекулы – эллипсами. Мы видим, что на поверхности АВ параллелепипеда появляется избыток положительного заряда, а на поверхности CD – отрицательных. Эти заряды, появляющиеся в результате поляризации диэлектрика, называются поляризационными, или связанными зарядами. Связанные заряды порождают электрическое поле так же, как и свободные, и в этом отношении они ничем от них не отличаются. Связанные заряды могут перемещаться лишь внутри нейтральных молекул. В объеме диэлектрика происходит компенсация положительных и отрицательных зарядов и никаких макроскопических поляризационных зарядов не появляется. Однако это справедливо только тогда, когда поляризация диэлектрика однородна, то есть, когда все молекулы диэлектрика поляризованы и ориентированы одинаково. Если же поляризация неоднородна, то компенсации нет, и в диэлектрике могут появляться объемные связанные заряды.

Образование индуцированного электрического момента р в диэлектрике и представляет собой явление поляризации. Качественно интенсивность поляризации диэлектрика определяется поляризованностью Р, равной отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремится к нулю:

. (1.1)

Поляризованность - векторная величина: ее направление совпадает с направлением электрического момента - от отрицательного заряда к положительному. Так как электрический момент измеряется в [Кл× м], а объем -в [м³], то единицей модуля поляризованности будет [Кл/м²].

Существует несколько видов поляризации: электронная, ионная, дипольная и миграционная.

Электронная поляризация - это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Она происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других видов поляризации.

Электронная поляризация устанавливается за очень короткое время после наложения электрического поля - порядка 10^-14 - 10^-15 с, что сравнимо с периодом световых колебаний. Поэтому электронная поляризация проявляется на всех частотах электрического поля, вплоть до оптических.

При увеличении размеров атома электронная поляризуемость увеличивается, так как при этом не только становится слабее связь электронов внешних оболочек с ядром атома и увеличивается смещение оболочки l, но и возрастает заряд ядра q.