5.2 Диэлектрики

До сих пор, строго говоря, мы обсуждали электрическое поле в отсутствии какой-либо среды между заряженными телами (в вакууме). Почти ничего не изменится и при наличии разреженного газа – воздуха, например. Кроме того, мы выяснили, что в проводящие тела и внутрь проводящих оболочек электростатическое поле извне не проникает ( ). А как обстоит дело при наличии достаточно плотной диэлектрической среды?

Вспомним, что диэлектриками называют вещества, не проводящие электрический ток («изоляторы»), т.к. в них нет свободных электрически заряженных частиц. Однако в них есть, конечно, заряженные частицы, входящие в состав атомов и молекул – т.н. «связанные заряды». Под действием внешнего электрического поля такие заряды могут смещаться на расстояния не более 10^-9 м (т.е. одного нанометра). Говорят, что в результате диэлектрик «поляризуется» – его суммарный дипольный момент становится отличным от нуля:

.

Здесь – дипольный момент каждой отдельной молекулы – «элементарного диполя» (см. п.5.1). Разберёмся поподробнее в этом процессе – «поляризация диэлектриков».

5.3 Понятие о механизмах поляризации диэлектриков

П режде всего, договоримся, что в дальнейшем мы будем говорить лишь о газообразных и жидких (или твёрдых, но аморфных) непроводящих средах, т.е. об однородных и изотропных диэлектриках. Такие вещества могут состоять как из «полярных», так и из «неполярных» молекул. В различных диэлектриках механизмы поляризации также различны.

1. Ориентационная (дипольная) поляризация

Такой механизм характерен для среды, молекулы которой обладают дипольным моментом и в отсутствии внешнего электрического поля, т.е. «полярные». Например, это молекулы H₂O, HCl, NH₃, … В отсутствии поля ориентация т.н. «жёстких» диполей случайна вследствие хаотичности теплового движения. Однако, электрическое поле, как мы знаем (см. п. 5.1), оказывает на элементарные диполи ориентирующее воздействие – появляется некоторая преимущественная ориентация в направлении электрического поля (см. рис. 5.5)! В результате средний дипольный момент единицы объёма вещества оказывается отличным от нуля. Опыт показывает, что он пропорционален напряжённости электрического поля, действующего на молекулы.

• Замечание

Расчёты по законам статистической физики позволяют установить и точное количественное соотношение:

^*). (5.6)

Такой результат качественно понятен и без расчётов. Ведь, чем больше напряжённость поля, тем больше, очевидно, и его ориентирующее воздействие – т.е. ориентация диполей вдоль вектора . С другой стороны нетрудно понять и то, что коэффициент поляризующего действия тем меньше, чем выше температура – т.е. разупорядочение, хаос теплового движения!

2. Электронная поляризация (поляризация смещения)

В ещество может состоять и из неполярных молекул, например, Ar, H₂, N₂, O₂, CCl₄, … . В отсутствии внешнего электрического поля у таких молекул отсутствует дипольный момент. Он появляется лишь под действием поля, благодаря смещению электронной плотности в молекулах вдоль поля. Обычно величина такого смещения в не слишком больших полях (< 10⁹ В/м) не превышает 1 нм и оказывается пропорциональна величине напряжённости этого поля (l  E – аналогично «удлинению» пружины в случае выполнения закона Гука). Отсюда ещё один термин для данного типа поляризации – «упругая» поляризация. «Наведённые» дипольные моменты молекул малы, но зато строго параллельны напряжённости внешнего поля  у всех молекул:

, (5.7)

Коэффициент  в этом соотношении называется поляризуемостью молекулы, ₀ – как и ранее, электрическая постоянная. Поляризуемость молекулы не зависит от напряжённости поля и не зависит от температуры!