§1.5. Диэлектрики в электрическом поле. Поляризация диэлектрика

Диэлектрики характеризуются присутствием ничтожного числа свободных электронов.

Электроны диэлектрика связаны в основном с положительно заряженным ядром и движутся по некоторым орбитам вокруг него.

Существует ряд диэлектриков, молекулы которых при отсутствии внешнего поля электрически нейтральны, так как среднее положение отрицательного заряда совпадает с ядром (рис. 1.7, а). Такие молекулы называют неполярными. У диэлектриков с полярными молекулами среднее положение отрицательного заряда смещено относительно ядра.

Рис. 1.7. Неполярная молекула при отсутствии (а) и наличии (б)

внешнего поля

У неполярных молекул под действием внешнего поля орбита электрона вытягивается и смещается в сторону, противоположную направлению поля, что равносильно смещению среднего положения отрицательного заряда (рис. 1.7, б). В результате среднее положение отрицательного заряда не совпадает с положением ядра и образуется электрический диполь (пара разноименных точечных зарядов, связанных между собой и находящихся на малом расстоянии друг от друга), напряженность электрического поля которого ξвт ослабляет внешнее поле. Формально это явление отражается введением коэффициента εr (относительная диэлектрическая проницаемость среды) в формулу закона Кулона. Чем больше εr, тем сильнее ослабляется внешнее поле. Повышая напряженность электрического поля, в котором расположен диэлектрик, можно достичь такого состояния, когда орбитальные электроны начнут срываться с орбит полем, произойдет местное разрушение диэлектрика, или его пробой. Напряженность поля ξпр, при которой наступает пробой диэлектрика, называется пробивной.

Напряженность поля ξдоп, которая допускается в диэлектрике при его работе в электроустройствах, называется допустимой. Для надежной работы электроустройства напряженность диэлектрика должна быть не выше допустимой. Значение ξдоп должно быть в несколько раз ниже значения ξпр.

Необходимо заметить, что внутреннее поле в диэлектрике существует только при наличии внешнего поля и в большинстве случаев исчезает при снятии последнего.

Однако есть диэлектрики, которые, будучи поляризованными внешним электрическим полем, сохраняют остаточную поляризацию, т. е. внутреннее поле остается при исчезновении внешнего (сегнетоэлектрики и электреты). Относительная диэлектрическая проницаемость таких диэлектриков сильно зависит от напряженности внешнего поля и, следовательно, не постоянна, причем максимальное значение εr достигает нескольких тысяч. Конденсаторы с сегнетоэлектриком применяются в устройствах автоматики. Электреты представляют собой источники постоянного электрического поля и используются в электрических вольтметрах, элементах электрической памяти, для световой записи информации на диэлектрическую пленку и т. д.