11

2. Электрическое поле в диэлектриках

2.1 Поляризация диэлектриков

Диэлектрики- вещества, практически не проводящие электрический ток, т.е. в них почти нет свободных носителей заряда. При внесении нейтрального диэлектрика в электрическое поле обнаруживаются существенные изменения как в поле, так и в самом диэлектрике. Диэлектрики состоят из нейтральных ( Н₂, N₂) или полярных (H₂O, NH_3, HCl) молекул, либо из заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки (NaCl). Полярные молекулы обладают собственным дипольным моментом, неполярные – не обладают, т.к. центры “тяжести” положительного и отрицательного зарядов совпадают.

Под действием внешнего электрического поля происходит поляризация диэлектрика, которая заключается в смещении связанных электрических зарядов.

При этом различают три типа поляризации :

1. электронная, которая наблюдается в неполярных диэлектриках: электронная оболочка молекулы смещается относительно ядра против поля;

2. ориентационная, которая наблюдается в полярных диэлектриках. Здесь в отсутствии поля молекулы расположены хаотически из-за теплового движения. Под действием электрического поля дипольные моменты ориентируются преимущественно в направлении поля;

3. ионная – наблюдается в ионных кристаллах: под действием внешнего поля все положительные ионы смещаются по полю, а отрицательные – против.

Т.о. механизм поляризации отвечает конкретному строению диэлектрика, однако, независимо от этого во всех случаях положительные заряды смещаются вдоль поля, а отрицательные – против. Смещения малы, т.к. внешние электрические поля малы по сравнению с внутренним полем молекулы.

2.2 Объемные и поверхностные связанные заряды диэлектриков.

В результате поляризации на поверхности диэлектрика, а , в общем случае, и в объеме появляются нескомпенсированные заряды, которые называются поляризационными или связанными, поскольку они не могут покинуть пределы молекул. Они обозначаются как q, , , т.е. заряд, поверхностная плотность и объемная плотность заряда, соответственно. Заряды, которые не входят в состав молекул диэлектрика называются сторонними, они могут быть внутри и вне диэлектрика и не всегда свободные.

Пусть имеется пластина из нейтрального неоднородного диэлектрика у которого плотность вещества растет с координатой x,.

Рис.2.1

Если внешнее поле отсутствует, то в каждой точке вещества объемная плотность положительных зарядов ₊ совпадает с объемной плотностью отрицательных зарядов , рис.2.1а. При включении поля произойдет смещение зарядов и в объеме неоднородного диэлектрика появится нескомпенсированный заряд

(при данном на рисунке направлении поля – отрицательный) , рис.2.1б. Если поле приложить в обратном направлении, то знак заряда изменится на противоположный.

Если диэлектрик однородный, т.е. распределение плотности вещества, а значит и плотности положительного и отрицательного зарядов имеют П-образную форму, то нескомпенсированный заряд при поляризации появится только на поверхности диэлектрика.

2.3 Напряженность электрического поля в диэлектрике.

Диэлектрическая проницаемость.

Поле в диэлектрике является суперпозицией внешнего поля сторонних зарядов и поля , созданного связанными зарядами диэлектрика , т.е.

Здесь и - макрополя, т.е. усредненные по бесконечно малому физическому объему микрополя сторонних и связанных зарядов. Т.о. является также макрополем.

Напряженность поля связанных зарядов пропорциональна напряженности поля в диэлектрике, т.е.,

,

где - безразмерная величина – диэлектрическая восприимчивость среды, характеризует свойства диэлектрика, не зависит от поля, 0. Тогда или в алгебраическом виде: , откуда найдем поле в диэлектрике: , где относительная диэлектрическая проницаемость среды, как и безразмерна, для вакуума и практически для воздуха , т.к. =0 для них.

Итак, напряженность поля в диэлектрике ослабляется в раз по сравнению с полем в вакууме.