1.12. Диэлектрики в электрическом поле

В идеальном диэлектрике нет свободных зарядов, способных под действием электрического поля перемещаться через весь диэлектрик. Атомы и молекулы диэлектрика содержат равные количества положительных и отрицательных микроскопических зарядов и в целом электрически нейтральны. Под действием электрического поля в молекулах диэлектрика происходит перераспределение зарядов, создающее поляризацию диэлектрика. Эффект поляризации заключается в том, что весь объем диэлектрика приобретает электрический момент.

В зависимости от строения вещества диэлектрика существуют три типа поляризации.

1. У диэлектриков (парафин, бензол, водород, азот и др.) во внешнем электрическом поле «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов молекул смещаются в противоположные стороны на некоторое расстояние , малое по сравнению с размерами молекулы (рис.1.13.).

+q + _ -q

+ _

Рис. 1.13

Каждая молекула приобретает дипольный электрический момент:

(1.28)

который пропорционален напряженности внешнего поля . При снятии внешнего поля дипольные моменты дезориентируются и электричексий момент диэлектрика исчезает.

2. У таких диэлектриков, как вода, натробензол и др. “центры тяжести” положительных и отрицательных зарядов молекулы не совпадают даже при отсутствии внешнего электрического поля (рис.1.14).

+

α

_

Рис.1.14

Вследствие теплового движения, дипольные электрические моменты ориентируются хаотично и в сумме создают нулевой электрический момент. При помещении такого диэлектрика в однородное внешнее поле на каждый диполь молекулы будет действовать электрическая сила , поворачивающая его вдоль поля.

Хаотичное тепловое движение препятствует ориентации диполей вдоль поля и вновь располагает их под самыми различными углами α к направлению поля. В результате этих противоположных воздействий среднее значение проекции дипольного момента молекулы на направление поля будет отличным от нуля, пропорционально абсолютной температуреТ.

3. У кристаллических диэлектриков (хлористый натрий, хлористый калий и др.) при внесении их в электрическое поле происходит смещение положительных и отрицательных ионов. что образует дипольный момент, направленный вдоль внешнего поля и пропорциональный . В рассмотренных трех видах диэлектриков поляризации приводит к уменьшению напряженности поля. Эффект поляризации можно учесть с помощью относительной диэлектрической проницаемости

, (1.29)

где , Е – напряженность внешнего поля в вакууме. Рассмотрим поляризацию диэлектрической пластинки в однородном электрическом поле напряженности

В результате поляризации пластинка приобретает дипольный момент, являющийся суммой дипольных моментоввсех молекул диэлектрика в данном объеме, где S – площадь грани пластинки

d – Толщина пластинки

. (1.30)

Дипольный момент единицы объема

(1.31)

называется вектором поляризации.

Вектор поляризации всегда направлен вдоль вектора напряженности внешнего электрического поля и пропорционален величине напряженности поля в диэлектрике:

, (1.32)

где х - диэлектрическая восприимчивость вещества.

В результате возникновения объемной поляризации на гранях диэлектрика образуются поляризационные или связанные заряды q с некоторой поверхностной плотностью

.

Образование поляризационных зарядов приводит к возникновению дополнительного внешнего поля , которое суммируется с внешним полеми создает поле диэлектрика

.

Напряженность дополнительного электрического поля в диэлектрике

.

Полный дипольный момент пластины диэлектрика, тогдамодуль вектора поляризации

Напряженность поля в диэлектрике

(1.33)

, (1.34)

где,- диэлектрическая восприимчивость

Вопросы и задания для самостоятельного изучения

Лекция 3