2.3. Классификация диэлектриков

Диэлектрики можно разбить на три класса – полярные, неполярные и ионные. К полярным относятся диэлектрики, молекулы которых обладают собственным (жестким) дипольным моментом; к неполярным – диэлектрики, молекулы которых не имеют собственного дипольного момента. Ионные диэлектрики представляют собой кристаллы с правильным чередованием ионов различных знаков (кристаллы NaCl, KCl и др.).

Соответственно трем классам диэлектриков различают три типа поляризации – ориентационную, деформационную и ионную.

Ориентационная поляризация характерна для полярных диэлектриков. При отсутствии внешнего поля (E=0) дипольные моменты молекул ориентированны хаотически (рис. 2.4, а). При наложении поля дипольные моменты стремятся выстроиться в направлении поля, однако этому препятствует тепловое движение молекул. В результате устанавливается преимущественная ориентация диполей, характеризуемая средним значением угла α (рис. 2.4, б), и на поверхности диэлектрика появляются связанные заряды, образованные положительными и отрицательными зарядами молекулярных диполей. Заметим, что чем сильнее электрическое поле и ниже температура, тем более четко проявляется преимущественная ориентация диполей.

Рис. 2.4

Деформационная поляризация характерна для неполярных диэлектриков. При внесении такого диэлектрика во внешнее электрическое поле в его молекулах происходит смещение центров положительных и отрицательных зарядов. В результате молекулы приобретают наведенный (индуцированный) дипольный момент, ориентированный в направлении внешнего поля. Тепловое движение практически не влияет на процесс деформационной поляризации. Это связанно с тем, что при любых поворотах молекулы её электронная оболочка почти мгновенно перестраивается так, что дипольный момент оказывается ориентированным в прежнем направлении (т.е. в направлении внешнего поля).

Механизм ионной поляризации состоит в том, что ионы кристаллической решётки под действием внешнего электрического поля смещаются в различных направлениях: положительные – в направлении вектора напряжённости , а отрицательные – навстречу. В результате на гранях кристалла, перпендикулярных к вектору , появляются разные по знаку связанные заряды.

2.4. Поляризованность. Вектор электрического смещения

2.4.1 Поляризованность

Количественной мерой степени поляризации диэлектрика является векторная величина, называемая поляризованностью. Поляризованность численно равна дипольному моменту единицы объёма вещества:

,

(2.8)

где – геометрическая сумма дипольных моментов всех частиц (молекул, атомов), находящихся в объёме V. Поскольку дипольный момент p_e измеряется в Кл·м, то, как видно из (2.8), поляризованность измеряется в Кл/м², что совпадает с единицей поверхностной плотности заряда.

2.4.2. Связь между поляризованностью и поверхностной плотностью связанных зарядов

Рис. 2.5

Для установления этой связи выберем диэлектрик в виде тонкого длинного цилиндра с высотой l и сечением S. Установим цилиндр в направлении электрического поля (рис. 2.5).

В результате поляризации на торцах цилиндра появятся связанные заряды с поверхностной плотностью - и +. Дипольный момент цилиндра можно найти как сумму дипольных моментов всех частиц, находящихся в нём:

,

где V – объём цилиндра.

На основании (12.8) числовое значение поляризованности

.

Итак, поляризованность численно равна поверхностной плотности связанных зарядов

.

(2.9)