Виды диэлектриков.
Диэлектрики (как и всякое вещество) состоят из атомов и молекул. Положительный заряд сосредоточен в ядрах атомов и молекул, а отрицательный – в электронных оболочках атомов. Так как положительный заряд всех ядер молекулы равен суммарному заряду электронов, то молекула в целом нейтральна и, ее можно рассматривать как электрический диполь с дипольным моментом, определяемым по формуле 2.1.
Первую
группу диэлектриков (азот, водород,
кислород и др.) составляют вещества,
молекулы которых имеют симметричное
строение и, следовательно, дипольный
момент
такой молекулы равен нулю. Молекулы
таких диэлектриков называются неполярными.
Во внешнем электрическом поле с
напряженностью
заряды неполярных молекул смещаются в
разные стороны (деформационная или
электронная поляризация) и диэлектрик
приобретает дипольный момент
,
2.2
где
- коэффициент пропорциональности,
называемый поляризуемостью молекулы
и зависящий от строения молекулы,
- электрическая постоянная, V
– объем диэлектрика.
Вторую
группу диэлектриков (вода, окись углерода,
метан) образуют вещества молекулы,
которых имеют асимметричное строение
и значит, молекулы их обладают дипольным
моментом
.
Молекулы таких диэлектриков называют
полярными. В отсутствии внешнего
электрического поля, вследствие
хаотического теплового движения,
дипольные моменты молекул ориентированы
хаотически и результирующий дипольный
момент равен нулю. Если такой диэлектрик
поместить во внешнее электрическое
поле, то силы этого поля будут стремиться
повернуть диполи вдоль поля (ориентационная
поляризация) и диэлектрик приобретает
дипольный момент
,
2.3
где n – концентрация молекул, - дипольный момент молекулы, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, V – объем диэлектрика.
Как видно из этого выражения ориентационная поляризация зависит от абсолютной температуры.
Третью
группу диэлектриков
представляют так называемые ионные
кристаллы, представляющие собой
кристаллические решетки с правильным
чередованием ионов различных знаков.
В этом случае нельзя рассматривать
отдельные молекулы, а нужно рассматривать
как две подрешетки вдвинутые друг в
друга. При помещении такого диэлектрика
во внешнее электрическое поле решетки
смещаются относительно друг друга
(ионная поляризация) и диэлектрик
приобретает дипольный момент отличный
от нуля.
Итак, внесение диэлектрика во внешнее электрическое поле приводит к возникновению отличного от нуля результирующего дипольного момента, или иными словами к поляризации диэлектрика.
3.2.3. Поляризация диэлектриков. Напряженность электрического поля в диэлектрике.
Во
внешнем электрическом поле диэлектрик
поляризуется, т.е. приобретает отличный
от нуля дипольный момент
,
где
-
дипольный момент отдельной молекулы.
Степень
поляризованности макроскопического
тела принято характеризовать вектором
поляризованности
,
который в случае однородно поляризованного
тела, определяется как дипольный момент
единицы объема тела:
.
2.4
В случае неоднородно поляризованного тела поляризованность определяется для каждого физически малого объема
.
2.5
Способность
вещества изменять свою поляризованность
под действием внешнего электрического
поля характеризует диэлектрическая
восприимчивость
.
Опыт показывает, что для большинства
веществ (исключение сегнетоэлектрики)
,
2.6
где - диэлектрическая восприимчивость, величина безразмерная, больше нуля и составляет несколько единиц, хотя есть и исключения (вода, спирт).
Для
определения напряженности электрического
поля в диэлектрике рассмотрим следующий
опыт. Поместим пластинку из диэлектрика
в однородное электрическое поле с
напряженностью
,
создаваемое бесконечными заряженными
пластинами (рис. 16). Под действием
электрического поля заряды в диэлектрике
смещаются: отрицательные против поля,
положительные по полю. В результате
этого на поверхностях пластинки
появляются связанные электрические
заряды, создающие дополнительное
электрическое поле с напряженностью
.
Согласно принципу суперпозиции полей
напряженность поля в диэлектрике будет
определяться по формуле
.
2.7
Так
как поле
создается заряженными плоскостями, то
,
2.8
где
-
поверхностная плотность связанных
зарядов.
Определим
поверхностную плотность связанных
зарядов
.
Полный дипольный момент диэлектрика
по 2.4 равен
,
но с другой стороны
,
следовательно,
.
2.9
С учетом 2.9 и 2.4 выражение 2.6 примет вид:
.
2.10
Обозначив
,
2.11
для напряженности поля в диэлектрике окончательно получим:
,
2.12
где - диэлектрическая проницаемость вещества, показывающая во сколько раз уменьшается напряженность электрического поля в диэлектрике по сравнению с вакуумом.
Выражение 2.12 показывает, что напряженность электрического поля зависит от свойств среды.