Тема 15 Електричне поле у діелектриках §94 Поляризація діелектриків. Зв’язані заряди. Механізми поляризації [9]

Рисунок 94.1

1. Усі речовини складаються з атомів і молекул. У свою чергу атоми складаються з від’ємно заряджених електронів та додатно заряджених ядер. При внесенні речовини в електричне поле легкі електрони зміщуються у протилежному напрямку по відношенню до напруженості поля. Зміщення атомних ядер порівняно з ними дуже малі. Відбувається частковий поділ додатних і від’ємних зарядів. Завдяки цьому в окремих місцях тіла з'являються макроскопічні заряди різних знаків. Ці заряди, що з'явилися в результаті дії електричного поля, називають індукованими зарядами. До виникнення індукованих зарядів і зводиться вплив речовини на електричне поле. Індуковані заряди створюють додаткове електричне поле, що накладається на поле первинних зарядів. Якщо відомі всі первинні й індуковані заряди, то при обчисленні повного електричного поля можна «забути» про наявність речовини. Повне поле знайдеться суперпозицією кулонівських полів, які збуджуються у вакуумі всіма первинними й індукованими зарядами.

2. Діелектрики є непровідниками електричного заряду. У них можуть збуджуватися індукційні заряди. Піднесемо, наприклад, до кульки зарядженого електроскопа електрично нейтральне тіло з діелектрика (рис. 94.1). Кут відхилення стрілки електроскопа зменшується. Пояснюється це тим, що заряд кульки збуджує на кінці діелектрика індукційні заряди того ж, а на кінці – протилежного знака. Ці заряди відтягують частину зарядів зі стрілки й стержня електроскопа на кульку, з чим і пов'язане зменшення кута відхилення стрілки.

Спробуємо розділити індукційні заряди, що виникли на діелектрику. Нехай діелектрик складається із двох половин і , що торкаються одна одну. Якщо в присутності зарядженого електроскопа ці частини роз'єднати, а потім забрати або розрядити електроскоп, то обидві частини виявляться незарядженими (металеві частини в аналогічному досліді виявляються зарядженими). Це показує, що заряди в діелектрику позбавлені можливості пересуватися, на відміну від електронів у металах.

Рисунок 94.2

3. Заряди в діелектрику можуть зміщуватися зі своїх положень рівноваги лише на малі відстані, порядку атомних розмірів. Припустимо, наприклад, що діелектрик складається з електрично нейтральних молекул. Під дією прикладеного електричного поля центр ваги електронів (від’ємний заряд) у молекулі ненабагато зміщується відносно центра ваги атомних ядер (додатний заряд). Молекули стають електричними диполями, орієнтованими додатно зарядженими кінцями у напрямку електричного поля . У цьому випадку говорять, що діелектрик є поляризованим, а саме зміщення додатних та від’ємних зарядів діелектрика в різні сторони називають електричною поляризацією. На схематичному рис. 94.2 діелектрик зображений у вигляді прямокутного паралелепіпеда, а молекули – у вигляді кульок. Додатно заряджена половина молекули зафарбована в чорний колір, від’ємно заряджена залишена світлою. Ми бачимо, що на кінці паралелепіпеда виступають некомпенсовані від’ємні, а на кінці – додатні поверхневі заряди. Це і є індукційні заряди, що з'являються в результаті поляризації діелектрика. Їх називають поляризаційними, або зв'язаними зарядами. Останнім терміном хочуть підкреслити, що можливість переміщення зв'язаних зарядів обмежена рамками електрично нейтральних молекул. Ці заряди зв’язані з молекулами. В об'ємі діелектрика відбувається компенсація додатних і від’ємних зарядів молекул і ніяких макроскопічних поляризаційних зарядів тут не з'являється. Однак це справедливо тільки тоді, коли поляризація діелектрика однорідна, тобто коли всі молекули діелектрика поляризовані й орієнтовані однаково. Якщо ж поляризація неоднорідна, то компенсація відсутня, і в діелектрику можуть з'явитися об'ємні зв'язані заряди.

Крім електрично нейтральних молекул у діелектрику можуть існувати додатно або від’ємно заряджені іони. Надлишок іонів одного або іншого знака в будь-якій частині діелектрика означає наявність у цій частині нескомпенсованих макроскопічних зарядів. Такі заряди називаються вільними. Вони виникають у діелектрику, наприклад, при електризації тертям. До вільних зарядів відносяться також усі заряди, що знаходяться на провідниках. Відмінність вільних зарядів від зв’язаних полягає у тому, що вони не зв’язані з конкретною молекулою і можуть переміщуватись у речовині.

4. Вище ми розглянули електронний механізм поляризації:. Механізм поляризації діелектрика може бути й іншим. Розглянемо, наприклад, діелектрики, молекули яких мають дипольні моменти і за умови відсутності електричного поля. Такі молекули називаються полярними. Якщо поле відсутнє, то полярні молекули хаотично рухаються й орієнтовані абсолютно невпорядковано. При накладенні електричного поля дипольні моменти молекул орієнтуються переважно в напрямку поля. А це означає, що діелектрик стає поляризованим. Про такий механізм поляризації говорять як про орієнтаційний. Існують і інші механізми поляризації.