2.8. Молекулярная картина поляризации диэлектриков

Почему вещество между обкладками конденсатора увеличивает электроемкость? Как влияет диэлектрик на электростатическое поле? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо рассмотреть микроструктуру диэлектриков. Диэлектрик состоит из атомов и молекул. Положительный заряд сосредоточен в ядрах атомов, а отрицательный – в электронных оболочках атомов и молекул. Всякая молекула представляет собой систему с суммарным зарядом, равным нулю. Поляризация не может изменить суммарного заряда вещества, она влияет только на распределение электрических зарядов в веществе, при этом механизм поляризации в разных диэлектриках различен.

Можно выделить два вида диэлектриков: неполярные и полярные. Если в атоме диэлектрика, при отсутствии внешнего электрического поля, центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают, то атом не обладает электрическим дипольным моментом. Аналогично, в молекулах отрицательные и положительные заряды могут быть распределены таким образом, что у них отсутствует дипольный момент. Такие атомы и молекулы называются неполярными. Например, атом гелия, двухатомные молекулы, состоящие из одинаковых атомов (H₂, N₂, O₂), некоторые многоатомные молекулы, такие, как CO₂, NH₄ и др. При отсутствии внешнего электрического поля такой диэлектрик неполяризован. Во внешнем поле положительные и отрицательные заряды смещаются в противоположных направлениях, в результате неполярные молекулы приобретают дипольный момент, и диэлектрик поляризуется.

Рис. 2.5

На схеме (рис. 2.5) неполярный диэлектрик изображен прямоугольным параллелепипедом, а поляризованные молекулы – эллипсами. Мы видим, что на поверхности АВ параллелепипеда появляется избыток положительного заряда, а на поверхности CD – отрицательных. Эти заряды, появляющиеся в результате поляризации диэлектрика, называются поляризационными, или связанными зарядами. Связанные заряды порождают электрическое поле так же, как и свободные, и в этом отношении они ничем от них не отличаются. Cвязанные заряды могут перемещаться лишь внутри нейтральных молекул. В объеме диэлектрика происходит компенсация положительных и отрицательных зарядов и никаких макроскопических поляризационных зарядов не появляется. Однако это справедливо только тогда, когда поляризация диэлектрика однородна, то есть, когда все молекулы диэлектрика поляризованы и ориентированы одинаково. Если же поляризация неоднородна, то компенсации нет, и в диэлектрике могут появляться объемные связанные заряды.

Рис. 2.6

Рис. 2.7

Молекулы и атомы, обладающие электрическим дипольным моментом при отсутствии внешнего поля, называются полярными, например  и др. Постоянный дипольный момент у них имеет порядок . Это соответствует дипольному моменту диполя, состоящего из двух элементарных зарядов, находящихся на расстоянии , то есть порядка размеров атома. Однако в отсутствие внешнего электрического поля диэлектрик не поляризован, так как вследствие теплового движения дипольные моменты молекул ориентированы хаотически (рис. 2.6), и поэтому векторная сумма всех дипольных моментов близка к нулю. Во внешнем поле полярные молекулы также приобретают дополнительный дипольный момент и, благодаря этому, диэлектрик поляризуется. Однако эта поляризация незначительна. Основной механизм поляризации полярных диэлектриков заключается в том, что во внешнем электрическом поле на диполи действуют силы, стремящиеся ориентировать их по полю. Поэтому возникает частичное упорядочение в расположении диполей (рис. 2.7), тем большее, чем сильнее поле и чем ниже температура. В этом случае сумма всех дипольных моментов не равна нулю, и диэлектрик поляризуется.