14.2. Поляризация диэлектриков

Обычно в отсутствии внешнего электрического поля дипольные моменты диэлектрика либо равны нулю (неполярные молекулы), либо распределены по направлению в пространстве хаотическим образом (полярные молекулы). В обоих случаях суммарный дипольный момент диэлектрика равен нулю.

Под действием внешнего поля диэлектрик поляризуется. Это означает, что результирующий дипольный момент диэлектрика становится отличным от нуля.

В зависимости от строения молекул диэлектрика различают ориентационную, электронную и ионную поляризацию.

Ориентационная поляризация наблюдается у полярных диэлектриков. Суть ее в то, что в итоге совместного действия внешнего электрического поля и теплового движения молекул возникает преимущественная ориентация дипольных электрических моментов вдоль поля, возрастающая с увеличением напряженности поля и с уменьшением температуры.

Электронная поляризация происходит у полярных диэлектриков, когда под действием внешнего электрического поля у молекул диэлектриков этого типа возникают индуцированные дипольные моменты, направленные вдоль поля. Тепловое движение молекул на электронную поляризацию не влияет. В газообразных и жидких полярных диэлектриках электронная поляризация происходит одновременно с ориентационной.

Ионная поляризация происходит в твердых диэлектриках, имеющих ионную кристаллическую решетку. Внешнее электрическое поле вызывает в таких диэлектриках смещение всех положительных ионов – в противоположную сторону.

В качестве характеристики степени поляризации диэлектрика служит поляризованность (вектор поляризации) – величина, равная отношению электрического дипольного момента малого объема диэлектрика к этому объему:

, (14.2.1)

где - электрический дипольный момент i-й молекулы;

n – общее число молекул в объеме .

В пределах малого объема все молекулы полярного диэлектрика приобретают в электрическом поле одинаковые индуцированные электрические моменты . Поэтому поляризованность такого диэлектрика в электрическом поле с напряженностью равна

, (14.2.2)

где концентрация молекул.

Используя соотношение (14.1.6), получим

æ , (14.2.3)

где æ = - безразмерная величина, называемая диэлектрической восприимчивостью диэлектрика.

Для неполярных диэлектриков величина от температуры явно не зависит (косвенно – через концентрацию молекул); для полярных диэлектриков она обратно пропорциональна абсолютной температуре.

Следует отметить, что описываемая формулой (14.1.6) линейная зависимость между и имеет место лишь в не слишком сильных полях.

В результате поляризации диэлектрика в тонких слоях у ограничивающих его поверхностей возникают некомпенсированные заряды, которые называются поверхностными поляризационными зарядами.

Найдем поверхностную плотность ζ поляризационных зарядов на примере диэлектрика с неполярными молекулами, для чего выделим в диэлектрике, находящемся в однородном электрическом поле с напряженностью , малый цилиндр с площадью каждого основания и образующими, равными и параллельно вектору (рис. 14.2.1). На каждом основании косого цилиндра находится поляризационный заряд, равный

σ .

Рассматривая этот малый цилиндр как большой диполь, можно определить по известной формуле его электрический дипольный момент

σ .

По определению вектора поляризации, его численное значение равно

σ ,

где - проекция вектора поляризации на внешнюю нормаль;

- объем цилиндра.

Тогда

σ σ . (14.2.4)

Таким образом, величина нормальной составляющей вектора поляризации численно равна поверхностной плотности поляризационных зарядов.

Следует отметить, что в неоднородном электрическом поле поляризация диэлектрика тоже неоднородна. Вектор поляризации будет зависеть от координат. В этом случае кроме поверхностных поляризационных зарядов могут возникать еще и объемные поляризационные заряды с объемной п лотностью .