2.1.3. Діелектрики, поляризація діелектриків

Діелектрики - речови­ни, які в звичайних умовах погано проводять електрич­ний струм. Термін "діелек­трик" був введений М. Фа­радеєм. До діелектриків на­лежать всі гази (неіонізовані), деякі рідини (вода, гас) і деякі тверді тіла (фосфор, ебоніт). Електропровідність діелектриків дуже мала, їх­ ній питомий електричний опірОм-м.

Мал. 2.9.

Внесемо однорідний ді­електрик в поле напруженості Е₀ = const. На протилежних гранях діелектрика з'являться зв'язані заряди різного знака, які створять власне поле . Враховуючи, що напрямки і Е' протилежні, результуюча напруженість (мал. 2.9). Величина, яка показує, у скільки разів напруженість поля в однорідному діелектрику менша, ніж напруженість поля у вакуумі, якщо ці поля створені одними і тими ж са­мими вільними зарядами, називається відносною діелект­ричною проникністю середовища є:

(2.20)

Поляризація середовища і діелектриків, зокрема, є процес утворення об'ємного дипольного електричного мо­менту середовища. Поляризація може здійснюватися не тільки під дією електричного поля, а й деяких інших фак­торів, наприклад, механічних напруг (п'єзоелектричний ефект). Мірою поляризації діелектрика є вектор діелект­ричної поляризації Р, який дорівнює сумарному диполь­ному моменту молекул, віднесеному до об'єму V, в якому вони містяться, тобто

(2.21)

де N - число молекул в об'ємі V, рі - дипольний момент частинки. Ступінь поляризації можна наближено вважати пропорційним до напруженості поля Е:

(2.22)

де - діелектрична сприйнятливість - безрозмірна ве­личина, яка для вакууму дорівнює нулю, а для діелектриків є додатним числом

Електрична індукція в діелектрику визначається сумою двох доданків:

(2.23)

або з врахуванням (2.22):

(2.24)

Порівнюючи (2.3) і (2.24), дістанемоде

відносна діелектрична проникність. Обидві макроскопічні величиниє безрозмірними і характеризують здатність речовини до поляризації. У таблиці 2.1 наведені значення діелектричної проникності є для ряду речовин при кімнат­них температурах і постійних електричних полях.

Механізми поляризації діелектрика різноманітні і зале­жать від характеру хімічного зв'язку атомів у молекулі. Роз­різняють діелектрики з полярними і неполярними молеку­лами. Діелектрики, в молекулах яких центри просторового розподілу позитивних і негативних зарядів збігаються, на­зивають неполярними. До діелектриків цієї групи нале­жать:парафін, бензол та інші вуглеводи. За відсутності зовнішнього поля дипольний момент таких молекул дорівнює нулю. Полярними називають молекули, в яких центри позитивних і негативних зарядів не збігаються. Полярні молекули за відсутності електричного поля мають відмінний від нуля дипольний момент р = ql, який називають власним. Якщо в електричному полі відстань l не змінюється, то такі молекулярні диполі нази­вають жорсткими. До діелектриків з полярними молекула­ми (полярних діелектриків) належать речовини, що мають асиметричні молекули:органічні ки­слоти тощо.

Таблиця 2 .1.

Розглянемо основні види поляризації.

Орієнтаційна поляризація. За відсутності зовнішнього поля в рідинах та газах з полярними молекулами вектор поляризації Р = 0 (мал. 2.10а). Зовнішнє поле намагається зорієнтувати полярні молекули вздовж силових ліній. Внаслідок спільної дії двох факторів (зовнішнього поля і хаотичного теплового руху) у діелектрику з'являється пере­важаюча орієнтація молекулярних диполів у напрямку поля (мал. 2.10б).

Деформаційна (електронна) поляризація обумовлена зміщенням електричних зарядів в атомах і молекулах під дією зовнішнього електричного поля, що призводить до по­яви дипольного моменту р у цих частинок (мал. 2.11). Цей індукований момент зникає при вимкненні поля. Його ве­личина в слабких полях лінійно залежить від напруженості поля, тобто

(2.25)

де Е - електричне поле в місці знаходження частинки, а -коефіцієнт, який називають поляризованістю молекули. За­уважимо, що діелектрична сприйнятливість де -кількість диполів в одиниці об'єму. Такі молекули, на відміну від молекул полярного діелектрика, є нежорсткими дипольними молекулами, їх плече

Мал. 2.10а. Мал. 2.106. Мал. 2.11.

Іонна поляризація (поляризація іонного зміщення).

В іонних кристалах (наприклад, NaCl) можна умовно виділити підгратки, які утворені позитивними і негативни­ми іонами. Дією зовнішнього поля обидві підгратки зміщуються у протилежні боки і на поверхні діелектрика з'являється зв'язаний заряд.

Спонтанна поляризація. У кристалах-сегнетоелектриках при відсутності зовнішнього електричного поля існують області, всередині яких дипольні моменти молекул однаково направлені. Такі області самовільної (спонтанної) поляризації називають доменами. Електричний момент до­мену має великі значення, оскільки в домені міститься значна кількість молекул (об'єм домену 10-1 мм ). Поляризація сегнетоелектриків зводиться до орієнтації доменів у зовнішньому полі ео (мал. 2.12). Діелектрична проникність є зростає при збільшенні Е₀ (в міру посилення поля зростає впорядкованість доменів) і досягає значень є ~ 10⁴. Сегнетоелектрики зберігають деяку залишкову

поляризацію навіть після припинення дії зовнішнього електричного поля. На сегнетоелектричні властивості речовини значно впливає зміна температури. Температура, при якій внаслідок зростання інтенсивності теплового руху молекул домени руйнуються, називається температурою Кюрі.

Мал. 2.12. Мал. 2.13.

Для біологічних тканин характерні всі типи поляри­зації. Крім описаних раніше, суттєву роль відіграє об'ємна поляризація (ефект Максвелла-Вагнера), яка має місце в електричне ізольованих від оточуючого середовища об'ємах (наприклад, клітинах) (мал. 2.13).

Рух вільних носіїв, в основному іонів, у постійному електричному полі напруженості Е призводить до порушення звичного для клітини розподілу зарядів і, як наслідок, її функцій. На дії постійного електричного поля високої на­пруженостіна весь організм або окремі його ділянки базується лікувальний метод - франклінізація.