2. Поляризація діелектриків. Вектор поляризації

Для діелектриків характерною є особлива їх поведінка у зовнішньому електричному полі – поляризація. Поляризація – це процес орієнтації диполів чи поява під дією електричного поля орієнтованих по полю диполів.

Відповідно до трьох вище наведених груп діелектриків (з неполярними молекулами, з полярними молекулами, іонні діелектрики) розрізняють три види поляризації:

1) електронну (деформаційну), – характерну для діелектриків з неполярними молекулами, яка полягає у виникненні у атомів індукованого дипольного моменту за рахунок деформації електронних орбіт;

2) орієнтаційну (дипольну), – характерну для діелектриків з полярними молекулами, яка полягає в орієнтації наявних дипольних моментів по полю. Ця орієнтація тим сильніша, чим більша напруженість електричного поля і чим нижча температура;

3) іонну поляризацію діелектриків з іонними кристалічними ґратками, яка полягає у зміщенні підрешітки позитивних іонів вздовж поля, а негативних – проти поля, що призводить до виникнення дипольних моментів.

Розглянемо тепер таке поняття, як поляризованість.

Поляризованість – це векторна величина, яка визначається дипольним моментом одиниці об'єму діелектрика:

,

де – дипольний момент однієї молекули.

Дослідні дані свідчать, що для великого класу ізотропних діелектриків (крім сегнетоелектриків) поляризованість лінійно залежить від напруженості електричного поля :

,

де – стала, яку називають діелектричною сприйнятливістю діелектрика.

–величина безрозмірна, притому > 0 для більшості діелектриків (наприклад, для спирта = 25, для води =80).

Для встановлення кількісних закономірностей поля в діелектрику внесемо пластину з однорідного діелектрика в однорідне електричне поле, створене двома нескінченними разнойменно зарядженими площинами, розмістивши її так, як показано на рис. 6.2.

Рис. 6.2

Під дією поля діелектрик поляризується, тобто в ньому відбувається зміщення зарядів: позитивні заряди зміщуються по полю, негативні – проти поля. В результаті цього на правій грані діелектрика, оберненого до площини з негативними зарядами, буде надлишок позитивних зарядів з поверхневою густиною +, а на лівій – від'ємного заряду –. Ці нескомпенсовані заряди, які з'явились в результаті поляризації діелектрика, називаються зв'язаними зарядами, причому < . Поле зв'язаних зарядів спрямовано проти зовнішнього поля (тобто, проти поля, створюваноговільними зарядами ) і послаблює його. Результуюче поле всередині діелектрика:

(1)

Визначивши поверхневу густину зв'язаних зарядів = Р (оскільки, з одного боку де– площа грані пластинки;– її товщина; а з іншого бокутобто = Р) і підставивши в формулу (1) значення , матимемо:

.

Безрозмірна величина

називається діелектричною проникністю середовища. Вона показує, у скільки разів поле послаблюється діелектриком і таким чином кількісно характеризує властивість діелектрика поляризуватись в електричному полі.

Розглянемо тепер поняття електричного зміщення. Напруженість електростатичного поля, як щойно було доведено, залежить від властивостей середовища (в однорідному ізотропному середовищі Е ~ ). Вектор , переходячи через границю діелектриків, терпить скачкоподібне змінювання, створюючи тим самим незручності під час розрахунків електростатичних полів. Тому виявилось, що крім вектора напруженості електричного поля необхідно ввести ще нову величину –вектор електричного зміщення

або

Одиниця електричного зміщення – Кл/м².