27 Диэлектрики

19.3. Электрическое поле в веществе

В непроводящих материалах, называемых диэлектриками, отсутствуют свободные заряды, т.е. заряды, способные перемещаться в электрическом поле на значительные расстояния. Поэтому при помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле в нем не возникает электрический ток.

Различаютполярные и неполярные диэлектрики. В молекулах полярных диэлектриков центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы характеризуют особой величиной, называемой дипольным моментом. Дипольный момент определяется соотношением

,

в котором - величина одного из зарядов,- расстояние между ними. Векторнаправлен от отрицательного к положительному заряду. К числу полярных диэлектриков относятся вещества, молекулы которых имеют ассиметричное строение, например H₂O, NH₃, SO₂, CO.

В молекулах неполярных веществ в отсутствие электрического поля центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Это вещества, молекулы которых имеют симметричное строение, например N₂, H₂, O₂, CO_2, CH_4.

При внесении полярной молекулы в однородное электрическое поле на каждый из зарядов действуют равные по величине, но противоположные по направлению силы. В результате она поворачивается в направлении силовой линии поля. Дипольный момент молекулы стремится ориентироваться в направлении внешнего электрического поля. Величина собственного дипольного момента при этом практически не изменяется.

При внесении неполярной молекулы в однородное электрическое поле центры зарядов смещаются. Молекула поляризуется и в результате приобретает дипольный момент. Этот момент при небольших напряженностях пропорционален величине напряженности этого поля.

Как видим, полярные и неполярные молекулы во внешнем электрическом поле поляризуются. Степень поляризации диэлектрика принято характеризовать особой величиной, называемой вектором поляризации. Вектор поляризации равен суммарному дипольному моменту молекул в единице объема диэлектрика

Поместим диэлектрик (полярный или неполярный) в однородное электрическое поле плоского конденсатора. В результате поляризации на противоположных поверхностях диэлектрика появляются нескомпенсированные поляризационные заряды с поверхностной плотностью и. Эти заряды создают свое электрическое поле, направленное в сторону, противоположную внешнему полю. В результате напряженность электрического поля внутри диэлектрика, определяемая векторной суммой

,

уменьшится и станет равной

.

Здесь –напряженность электрического поля, созданного зарядами обкладок конденсатора.

–напряженность электрического поля поляризационных зарядов.

Из чертежа непосредственно следует вывод о том, что поверхностная плотность поляризационных зарядов численно равна нормальной проекции вектора поляризации.

В самом деле, при однородной поляризации суммарный дипольный момент молекул диэлектрика будет численно равен

.

Здесь - нескомпенсированный заряд на поверхности диэлектрика,- толщина диэлектрика.

При этом условии величина вектора поляризации будет равна

.

У большинства диэлектриков вектор поляризации пропорционален напряженности электрического поля:

.

Величину (хи) называют диэлектрической восприимчивостью вещества.

Учитывая приведенные выше соотношения, для напряженности электрического поля в диэлектрике получим

.

,,.

Величину называют диэлектрической проницаемостью среды. Она показывает, во сколько раз среда (диэлектрик) ослабляет электрическое поле. Приведем значения диэлектрической проницаемости для некоторых веществ:

Фарфор 6 Бумага 2

Слюда 6 Керосин 2

Стекло 6 Парафин 2 Масло 5 Воздух 1

Воск 7,8 Вода 81

Иногда для описания электрического поля в диэлектрике используют особую векторную физическую величину , называемую индукцией электрического поля. Она определяется соотношением

.

В отличие от напряженности электрического поля, которая зависит от диэлектрической проницаемости среды, величина индукции поля не зависит от поляризационных зарядов. Она определяется свободными зарядами и остается одинаковой в любой среде.

Более важным соотношением является формула, связывающая вектор поляризации с напряженностью электрического поля в диэлектрике. Очевидно, что в случае однородной поляризации модули этих векторов связаны соотношением

.

При помещении диэлектрика в электрическое поле на заряды его молекул действуют силы, деформирующие диэлектрик. Это явление получило название "электрострикция". Электрострикция наблюдается у твердых, жидких и газообразных диэлектриков. При электрострикции величина деформации диэлектрика пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. В изотропных средах электрострикция проявляется в виде изменения плотности под действием электрического поля.

В большинстве диэлектриков поляризация появляется и исчезает с появлением и исчезновением внешнего электрического поля.

Однако некоторые кристаллические диэлектрики, названные сегнетоэлектриками, обладают рядом специфических свойств, которые позволяют выделить их в особую группу.

В отличие от обычных диэлектриков сегнетоэлектрики обладают спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью и в отсутствие внешнего электрического поля,

Сегнетоэлектрики имеют доменную структуру, т.е. состоят из микрообластей-доменов, характеризующихся определенным направлением вектора поляризации. Векторы поляризации доменов имеют разные направления. В результате в целом электрический дипольный момент сегнетоэлектрика равен нулю.

При внесении сегнетоэлектрика во внешнее электрическое поле происходит переориентация дипольных моментов доменов по направлению внешнего электрического поля. Возникшее электрическое поле доменов способно поддерживать ориентацию дипольных моментов доменов и после прекращения действия внешнего электрического поля.

К числу специфических свойств сегнетоэлектриков относятся:

1) большая по величине (>>1) диэлектрическая проницаемость