• Діелектрики в стаціонарному електричному полі поляризація діелектрика. Вектор електричного зміщення

Діелектрики відрізняються від провідників (зокрема від металів) малою кількістю вільних зарядів. В ідеальному діелектрикові загалом немає вільних, нелокалізованих зарядів. Втім в діелектриках існують так звані локалізовані, або зв’язані заряди, які не можуть вільно пересуватися по всій речовині, проте можуть дещо зсуватися, чи повертатися відносно точки рівноваги (точки рівноважної локалізації). Такими відносно малими переміщеннями зв’язаних зарядів діелектрики реагують на зовнішнє електричне поле. Процеси реакції діелектриків на зовнішні електричні поля отримали назву явища поляризації діелектриків.

Ще Фарадей встановив, що електричне поле у діелектриках відрізняється від електричного поля у повітрі. Діелектрик послаблював зовнішнє електричне поле. Діелектрики звичайно складаються з нейтральних атомів, позитивний заряд яких зосереджений у ядрах, а негативний — в електронних шарах, або молекул, які містять нейтральні атоми. Зв’язані, локалізовані в атомах та молекулах заряди розташовані у різних точках простору і внаслідок невпинного руху їхнє розташування постійно змінюється.

За характером просторового розташування заряджених частинок в молекулах їх поділяють на полярні та неполярні. Молекули, зокрема, можуть мати таке розміщення позитивних і негативних зарядів, що їхні „центри ваги” збігаються у відсутності зовнішнього поля, і дипольний момент молекули в такому стані дорівнює нулю. Такі атоми і молекули називають неполярними (Мал.3.3.3). Як приклад атоми інертних газів, молекули , тощо, в газоподібному і рідкому станах є центросиметричними, неполярними молекулами. При поляризації такого діелектрика зовнішнім полем заряди в кожній молекулі зміщуються в протилежних напрямках (позитивні — у напрямі поля, негативні — проти поля), тому на одному кінці молекули з’являється позитивний заряд, а на іншому – негативний. Центри симетрії позитивного та негативного зарядів більше не співпадають. При цьому кожна молекула перетворюється на мікроскопічний електричний диполь.

Втім, існують також речовини, які складаються з таких молекул, центри позитивних і негативних зарядів яких не збігаються в одній точці, іншими словами, вони зміщені на деяку відстань – це полярні молекули: наприклад, молекули газів деяких рідин (вода, кислоти, окремі спирти, ефіри, тощо). Молекули цих речовин завжди являють собою елементарні диполі, якщо зовнішнього електричного поля навіть і немає. Дипольний момент таких молекул має порядок величини у ()Кл м. Проте, внаслідок безперервного руху електричних зарядів, як і кожного атома або молекули, як величина, так і просторова орієнтація цих дипольних моментів швидко і хаотично змінюється в часі. Зовнішнє поле частково орієнтує ці дипольні моменти в напрямі проти поля.

Для кількісної характеристики поляризації діелектрика використовують спеціальну фізичну величину – поляризованість: електричний момент одиниці об’єму діелектрика. Він дорівнює векторній сумі електричних моментів всіх молекул в одиниці об’єму:

(3.3.10)

Якщо діелектрик однорідний, а зміщення (або переорієнтація) зарядів однакове у всіх точках, то вектор буде однаковим по всьому діелектрику (однорідна поляризація). В ізотропних діелектриках напрям вектора збігається з напрямом вектора напруженості зовнішнього , тобто ці вектори є колінеарними. — макроскопічний параметр, який характеризує здатність структурних одиниць діелектриків до поляризації, тобто до зміщення зарядів, наприклад в атомах чи молекулах. Якщо значення в різних областях діелектрика буде різним, то це є ознакою того, що в деяку область об’єму потрапляє більший заряд певного знаку, ніж з неї виходить назовні, отже, в таких областях виникатимуть об'ємні заряди. Величина поляризації звичайно (окрім фероелектриків чи сегнетоелектриків) прямо пропорційна величині напруженості зовнішнього поля: .

У випадку ізотропного середовища можна записати прямий зв’язок поміж зовнішнім електричним полем та результуючим електричним полем у середовищі у наступному простому вигляді:

(3.3.11)

Напруженість поля в середовищі буде у разів менша напруженості зовнішнього поля у вакуумі, де - скалярний параметр, який має назву відносної діелектричної проникливості речовини. Саме таким є наслідок поляризації діелектрика – послаблення зовнішнього поля. Таке послаблення виникає за рахунок суперпозиції зовнішнього поля з тип полем, яке постає в речовині внаслідок її поляризації. Таблиця 2 дає уявлення про числові значення діелектричної проникливості деяких речовин.

Табл.2 Діелектричні проникливості деяких речовин

Речовина	Вакуум	Повітря	Парафін	Поліетилен	Скло	Спирт	Вода (дистилят
	1	1,00058	2,0	2,3	6,0	26	81

Повертаючись до формул, які визначають ємність плоского конденсатора, зауважимо, що за наявності діелектрика з діелектричною проникливістю поміж обкладинками конденсатора напруженість поля в разів менша від напруженості електричного поля вакуумного конденсатора. Тому для забезпечення такої самої різниці потенціалів поміж обкладинками необхідно зосередити на них в більший заряд, через що ємність конденсатора також підвищується в разів: .

Припустимо для простоти, що зовнішнє поле має силові лінії нормальні до поверхні діелектрика. На межі розділу вакуум-речовина густина силових ліній, як функція координат, має розрив першого роду (стрибком зменшується в разів на межі).

Якщо пам’ятати, що для вакууму формально ,то неважко збагнути, що величини або , такого розриву не матимуть: . Зрозуміло, що індекс „1” необов’язково відносити до вакууму – це може бути будь-яке середовище, відмінне за діелектричною проникливістю від вакууму, та від середовища позначеного індексом „2”.

Фізичну величину вигляду:

(3.3.12)

називають вектором електричної індукції (чи вектором електричного зміщення). Вектор електричної індукції, як і вектор напруженості електричного поля, є силовою характеристикою електростатичного поля. На відміну від напруженості поля, вектор електричної індукції не має розриву першого роду для своєї нормальної до межі компоненти на межі двох середовищ.

Якщо напруженість поля точкового заряду ()в середовищі є функцією точки (через радіус-вектор ) та електричних властивостей середовища (через параметр ):

(3.2.13)

то для індукції електричного поля того ж самого заряду в тим самим середовищі залежність від властивостей середовища зникає:

(3.3.14)

Індукція поля вимірюється в Кл/м2 так само як модуль вектора поляризації.