19.3. Электрическое поле в веществе

В непроводящих материалах, называемых диэлектриками, отсутствуют свободные заряды, т.е. заряды, способные перемещаться в электрическом поле на значительные расстояния. Поэтому при помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле в нем не возникает электрический ток.

Р азличают полярные и неполярные диэлектрики. В молекулах полярных диэлектриков центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы характеризуют особой величиной, называемой дипольным моментом. Дипольный момент определяется соотношением

,

в котором - величина одного из зарядов, - расстояние между ними. Вектор направлен от отрицательного к положительному заряду. К числу полярных диэлектриков относятся вещества, молекулы которых имеют ассиметричное строение, например H₂O, NH₃, SO₂, CO.

В молекулах неполярных веществ в отсутствие электрического поля центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Это вещества, молекулы которых имеют симметричное строение, например N₂, H₂, O₂, CO_2, CH_4.

При внесении полярной молекулы в однородное электрическое поле на каждый из зарядов действуют равные по величине, но противоположные по направлению силы. В результате она поворачивается в направлении сил овой линии поля. Дипольный момент молекулы стремится ориентироваться в направлении внешнего электрического поля. Величина собственного дипольного момента при этом практически не изменяется.

П ри внесении неполярной молекулы в однородное электрическое поле центры зарядов смещаются. Молекула поляризуется и в результате приобретает дипольный момент. Этот момент при небольших напряженностях пропорционален величине напряженности этого поля.

Как видим, полярные и неполярные молекулы во внешнем электрическом поле поляризуются. Степень поляризации диэлектрика принято характеризовать особой величиной , называемой вектором поляризации. Вектор поляризации равен суммарному дипольному моменту молекул в единице объема диэлектрика

Поместим диэлектрик (полярный или неполярный) в однородное электрическое поле плоского конденсатора. В результате поляризации на противоположных поверхностях диэлектрика появляются нескомпенсированные поляризационные заряды с поверхностной плотностью и . Эти заряды создают свое электрическое поле, направленное в сторону, противоположную внешнему полю. В результате напряженность электрического поля внутри диэлектрика, определяемая векторной суммой

,

уменьшится и станет равной

.

Здесь – напряженность электрического поля, созданного зарядами обкладок конденсатора.

– напряженность электрического поля поляризационных зарядов.

Из чертежа непосредственно следует вывод о том, что поверхностная плотность поляризационных зарядов численно равна нормальной проекции вектора поляризации.

В самом деле, при однородной поляризации суммарный дипольный момент молекул диэлектрика будет численно равен

.

Здесь - нескомпенсированный заряд на поверхности диэлектрика, - толщина диэлектрика.

При этом условии величина вектора поляризации будет равна

.

У большинства диэлектриков вектор поляризации пропорционален напряженности электрического поля:

.

Величину (хи) называют диэлектрической восприимчивостью вещества.

Учитывая приведенные выше соотношения, для напряженности электрического поля в диэлектрике получим

.

, , .

Величину называют диэлектрической проницаемостью среды. Она показывает, во сколько раз среда (диэлектрик) ослабляет электрическое поле. Приведем значения диэлектрической проницаемости для некоторых веществ:

Фарфор 6 Бумага 2

Слюда 6 Керосин 2

Стекло 6 Парафин 2 Масло 5 Воздух 1

Воск 7,8 Вода 81

Иногда для описания электрического поля в диэлектрике используют особую векторную физическую величину , называемую индукцией электрического поля. Она определяется соотношением

.

В отличие от напряженности электрического поля, которая зависит от диэлектрической проницаемости среды, величина индукции поля не зависит от поляризационных зарядов. Она определяется свободными зарядами и остается одинаковой в любой среде.

Более важным соотношением является формула, связывающая вектор поляризации с напряженностью электрического поля в диэлектрике . Очевидно, что в случае однородной поляризации модули этих векторов связаны соотношением

.

При помещении диэлектрика в электрическое поле на заряды его молекул действуют силы, деформирующие диэлектрик. Это явление получило название "электрострикция". Электрострикция наблюдается у твердых, жидких и газообразных диэлектриков. При электрострикции величина деформации диэлектрика пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. В изотропных средах электрострикция проявляется в виде изменения плотности под действием электрического поля.

В большинстве диэлектриков поляризация появляется и исчезает с появлением и исчезновением внешнего электрического поля.

Однако некоторые кристаллические диэлектрики, названные сегнетоэлектриками, обладают рядом специфических свойств, которые позволяют выделить их в особую группу.

В отличие от обычных диэлектриков сегнетоэлектрики обладают спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью и в отсутствие внешнего электрического поля,

Сегнетоэлектрики имеют доменную структуру, т.е. состоят из микрообластей-доменов, характеризующихся определенным направлением вектора поляризации. Векторы поляризации доменов имеют разные направления. В результате в целом электрический дипольный момент сегнетоэлектрика равен нулю.

П ри внесении сегнетоэлектрика во внешнее электрическое поле происходит переориентация дипольных моментов доменов по направлению внешнего электрического поля. Возникшее электрическое поле доменов способно поддерживать ориентацию дипольных моментов доменов и после прекращения действия внешнего электрического поля.

К числу специфических свойств сегнетоэлектриков относятся:

1) большая по величине (>>1) диэлектрическая проницаемость

2 ) диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков зависит от напряженности внешнего электрического поля

3) во внешнем электрическом поле сегнетоэлектрики поляризуются до насыщения, т. е. до такого состояния, при котором дальнейшее изменение напряженности электрического поля не изменяет вектор поляризации

4 ) во внешнем циклически изменяющемся электрическом поле им присуще явление гистерезиса. Изменение вектора поляризации запаздывает по отношению к изменению напряженности электрического поля

5) при нагревании сегнетоэлектриков до определенной температуры Т_к, характерной для каждого сегнетоэлектрика, они теряют свои специфические свойства и превращаются в обычные полярные диэлектрики. Точка перехода из состояния сегнетоэлектрика в состояние обычного полярного диэлектрика называется точкой Кюри, а соответствующая ей температура Т_к - температурой Кюри.

Закон изменения диэлектрической восприимчивости при переходе диэлектрика из сегнетоэлектрического состояния в состояние полярного диэлектрика  вблизи точки Кюри имеет вид

,

где A – некоторая константа;

Следует заметить, что у кристаллов диэлектрические свойства анизотропны, т.е. неодинаковы по различным направлениям.

Помимо сегнетоэлектриков имеются многочисленные кристаллы, на поверхности которых при деформации возникают электрические заряды. Такие кристаллы называются пьезоэлектриками. Возникающие при деформации поверхностные заряды имеют различные знаки на различных частях поверхности. К числу пьезоэлектриков относят кварц, турмалин, сегнетовую соль и многие другие.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают только ионные кристаллы. Под действием внешних сил подрешетка кристалла из положительных ионов деформируется иначе, чем подрешетка из отрицательных ионов. В результате происходит относительное смещение положительных и отрицательных ионов, приводящее к поляризации кристалла и возникновению поверхностных зарядов. Между разноименно заряженными гранями деформированного диэлектрика возникает разность потенциалов, прямо пропорциональная приложенным силам. Ее можно измерить, а по ее величине сделать заключение о величине деформирующих сил. Это находит многочисленные практические применения. Например, имеются пьезоэлектрические датчики для измерения быстропеременных давлений. Известны пьезоэлектрические микрофоны, пьезоэлектрические датчики в автоматике и телемеханике и т.д.

Помимо прямого пьезоэффекта в пьезоэлектриках существует обратный пьезоэффект. Он состоит в том, что во внешнем электрическом поле пьезоэлектрик деформируется.

Обратный пьезоэлектрический эффект также имеет многочисленные практические применения, в частности широкое применение получили кварцевые излучатели ультразвука.

Существуют диэлектрики, которые после снятия внешнего поля длительное время сохраняют поляризованное состояние. Они создают электрическое поле в окружающем пространстве и называются "электретами". Электрет является электрическим аналогом постоянного магнита.

Если вещество, молекулы которого обладают дипольным моментом, например воск, расплавить и поместить в сильное электрическое поле, то его молекулы частично выстроятся по направлению поля. При охлаждении расплава в электрическом поле и последующем выключении поля в затвердевшем веществе поворот молекул будет затруднен, и они длительное время будут сохранять преимущественную ориентацию.

Таким методом в 1922 г был впервые изготовлен электрет.

Электреты применяют как источники постоянного электрического поля (электретные микрофоны и телефоны, вибродатчики, генераторы слабых переменных сигналов, электрометры, электростатические вольтметры и др.), а также как чувствительные датчики в устройствах дозиметрии, электрической памяти; для изготовления барометров, гигрометров и газовых фильтров, пьезодатчиков и др. Фотоэлектреты применяются в электрофотографии.