Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектрики – это вещества, не имеющие свободных зарядов. К ним отно­сятся так называемые электроизолирующие материалы, которые препятствуют рассеянию в пространстве энергии электрического тока. Они иг­рают решающую роль в конструировании электрических приборов, аппаратов, линий передачи электроэнергии.

Изолирующими материалами могут быть газы, жидкости и твердые тела. Среди газообразных диэлектриков наибольшее значение имеет воздух, среди жидких - главное место по масштабу применения при­надлежит трансформаторному маслу, получаемому переработкой нефти. Группа твердых изо­ляторов самая многочисленная - это смолы (искусственные и натураль­ные), растите­льные волокнистые материалы (из которых вырабатываются ткани, картон, бумага), керамика, синтетические материалы.

Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков.

Каждая молекула (или атом) диэлектрика содержит положительно заряжен­ные ядра и отрицательно заряженные электроны, движущиеся вокруг ядер. Молеку­ла электрически нейтральна, так как алгебраическая сумма ее зарядов равна нулю. По электрическим свойствам диэлектрики делятся на три основные группы.

К первой группе относятся диэлектрики с симметричным строением молекулы, рис.1а, (N₂, H₂, O₂, CO₂, CH₄, CCl₄, парафин, бензол и другие). В них центры «тяжести» положи­тель­ных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего поля совпадают и электрический дипольный момент равен нулю: =0. Такие молекулы называются неполярными.

Рис. 1.

Во внешнем электрическом поле происходит деформация электронных оболо­чек атомов и молекул. «Центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются относительно друг друга (рис б). Молекула становится подобной элек­трическому диполю с плечом l, равным расстоя­нию ме­жду центрами «тяжести» положительных и от­рицатель­ных зарядов, и, следовательно, приобретает дипольный момент , называемый индуцированным (наведенным).

Такие молекулы располагаются цепоч­ками вдоль сило­вых линий поля || , как показано на рис. 2. В результате сам диэлектрик приобретает ре­зультирующий электри­ческий момент. Это явление называется поляризацией ди­электрика. В случае непо­лярного диэлектрика ее называют электронной или де­формационной. Электронная поляризация устанавливается очень быстро (за время 10^-15с), и быстро исчезает при снятии поля.

Рис. 2

Вторую группу диэлектриков составляют вещества с асимметричным строе­ни­ем молекул (H₂O, NH₃, SO₂, CO,...). Центры «тяжес­ти» положительных и отрицатель­ных зарядов в данном случае не совпадают, молекулы обладают дипольным момен­том . Молекулы таких диэлектриков называются полярными. Однако, без внешнего электрического поля оси дипольных моментов молекул расположены хаотично (рис.3 а). Поэтому диэлектрик в целом не поляризован.

Рис.3.

Под влиянием электрического поля мо­лекулы начинают ориентиро­ваться вдоль силовых линий. Степень ориентации за­висит от свойств диэлектрика, величины напряженно­сти поля (рис. б и в), где Е₂Е₁. С ростом напряженности поля Е и понижением температуры Т устанавлива­ется преимуще­ственная ориентация дипольных момен­тов по полю, так как хаотическое тепловое движение препятствует их полной ориентации. Боковые грани диэлектрика, перпендикулярные вектору при­обретают разноименные заряды, а диэлектрик - резуль­ти­рующий электрический момент. Такой вид поляриза­ции на­зывается ориентационной, или дипольной. При снятии внешнего поля поляризация диэлектрика исчеза­ет, так как тепловое движение мгновенно разрушает ориентацию ди­полей.

В жидких и газообразных полярных диэлектриках в электрическом поле возникают одновременно и ориен­таци­онная, и электронная поляризации.

Третью группу диэлектриков составляют вещества с ионным строением (NaCl, KCl, KBr,...). Эти ионные кри­сталлы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков. В электрическом поле положительные ионы смещаются по полю, а отрицательные ионы – против. Такого рода поляриза­ция называется ионной. Степень ионной поляри­зации зависит от свойств диэлектри­ка и от напряженности поля .