4.1.2. Механизмы поляризации диэлектриков

В отсутствие внешнего электрического поля центры "тяжести" суммарных положительного и отрицательного зарядов молекулы могут либо совпадать, либо не совпадать.

Молекулы, центры положительных и отрицательных зарядов которых в отсутствии внешнего электрического поля совпадают, называются неполярными (N₂, О₂, Н₂, СО₂). Они не обладают собственным электрическим дипольным моментом:

При внесении неполярных молекул в электрическое поле их электронные орбиты деформируются – электроны смещаются в направлении, противоположном . Возникает наведённый электрический диполь с дипольным моментом . Такой механизм поляризации называется деформационным.

Молекулы, у которых центры "тяжести" зарядов q₊ и q_- в отсутствие внешнего электрического поля не совпадают, называются полярными (Н₂О, СО).

Полярные молекулы, подобно электрическим диполям, обладают собственным электрическим дипольным моментом:

,

где – радиус-вектор, соединяющий центры "тяжести" зарядов (плечо диполя). Он направлен от отрицательного заряда к положительному заряду.

П ри внесении полярной молекулы в однородное внешнее электрическое поле на каждый из зарядов действуют равные по величине, но противоположные по знаку силы (рис. 4.4). В результате она поворачивается в нем так, чтобы её электрический дипольный момент совпал по направлению с направлением внешнего электрического поля. Величина собственного электрического дипольного момента при этом не изменяется. Это ориентационный механизм поляризации.

Некоторые вещества состоят из полярных и очень вытянутых молекул. Если такое вещество охлаждать из расплава в электрическом поле, то после затвердевания оно оказывается поляризованным, т.е сохраняется преимущественная ориентация молекулярных диполей. Остаточная поляризация может сохраняться в течение нескольких лет. Это электретный механизм поляризации, а такие вещества называют электретами. С использованием электретов изготавливают плёночные микрофоны, создаются устойчивые электрические поля, например, для отклонения электронных пучков.

4.1.3. Связанные заряды в диэлектриках.

Поляризация диэлектриков. Вектор поляризации

П ри включении электрического поля молекулярные электрические диполи в той или иной степени ориентируются по полю – происходит поляризация вещества. Хотя любой физически малый объём внутри диэлектрика будет оставаться электрически нейтральным, на поверхностях диэлектрика "появятся" заряды обоих знаков с поверхностной плотностью +^' и -^' (рис. 4.5). Их называют «связанными» зарядами. Они связаны с самими молекулами вещества и в отличие от свободных зарядов, исчезают при выключении поля.

Процесс "появления" зарядов на диэлектриках во внешнем электрическом поле называют поляризацией диэлектрика.

Для количественной характеристики поляризации диэлектриков вводится в рассмотрение физическая величина, численно равная электрическому дипольному моменту единицы объема диэлектрика:

,

где p_i – дипольный момент одной молекулы.

Эта величина называется вектором поляризации, или поляризованностью. Если поле или диэлектрик однородны, то вектор поляризации одинаков по всему объему. Такую поляризацию называют однородной. Если эти условия не выполняются, то поляризацию называют неоднородной.

У большинства диэлектриков, кроме так называемых сегнетоэлектриков, вектор поляризации пропорционален напряженности внешнего электрического поля:

,

где  – диэлектрическая восприимчивость вещества, не зависящая от напряженности внешнего электрического поля.