5. Атомы и молекулы в электрическом поле.

Диэлектрики разного типа можно охарактеризовать одним общим свойством: в них есть заряженные частицы, но все они связаны между собой так, что свободно перемещаться на большие расстояния не могут. Если диэлектрики оказываются в электрическом поле, то они, как принято говорить, поляризуются. При этом заряды перемещаются на расстояния порядка расстояния между молекулами.

Молекулы, из которых состоят диэлектрики, электрически нейтральны. Однако, если у них нет сферической симметрии, то они обладают дипольным моментом. Поэтому поведение элементарного диполя в электрическом поле – основа для описания электрического поля в диэлектрике. Даже если молекула или атом имеют сферическую симметрию, в электрическом поле она исчезает и появляется индуцированный полем дипольный момент атома или молекулы.

6. Поляризация диэлектриков. Вектор поляризации. Диэлектрическая проницаемость вещества. Электрическое смещение.

Диэлектрики – вещества, обладающие малой электропроводностью, т.к. у них очень мало свободных заряженных частиц – электронов и ионов. Эти частицы появляются в диэлектриках только при нагреве до высоких температур. Существуют диэлектрики газообразные (газы, воздух), жидкие (масла, жидкие органические вещества) и твердые (парафин, полиэтилен, слюда, керамика и т.п.).

Поляризация — состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.

Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.

Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации. Физический смысл вектора электрической поляризации — это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.

Вектор поляризации применим для описания макроскопического состояния поляризации не только обычных диэлектриков, но и сегнетоэлектриков, и, в принципе, любых сред, обладающих сходными свойствами. Он применим не только для описания индуцированной поляризации, но и спонтанной поляризации (у сегнетоэлектриков).

Газы

Диэлектрическая проницаемость газов растет с ростом радиуса молекулы, поскольку из-за роста радиуса возрастает поляризуемость молекулы Зависимость диэлектрической проницаемости газов от давления p и температуры T определяется изменением концентрации молекул n. p = nkT. Здесь k - постоянная Больцмана.

Жидкие диэлектрики

В дипольных (полярных) жидкостях одновременно протекают и электронная, и дипольно – релаксационная поляризации. ε тем больше, чем больше электрический момент диполей μ и чем больше число молекул в единице объема. Диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей больше чем у неполярных. Температурная зависимость ε полярных жидкостей характеризуется дипольным максимумом в области резкого изменения вязкости жидкости. С ростом частоты электрического поля диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей снижается до значений, определяемых электронной поляризацией.

Твердые диэлектрики

Ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц обладают электронной и ионной поляризацией. ε изменяется в широких диапазонах. С ростом температуры ε обычно растет. В неорганических аморфных диэлектриках (стеклах) ε изменяется в пределах от 4 до 20, возрастает с ростом температуры, хотя в ряде случаев (рутил TiO2, титанат кальцияCaTiO3) может и уменьшаться.

Органические полярные диэлектрики имеют дипольно – релаксационную поляризацию. ε изменяется в широких пределах, но обычно имеет значение 4 – 10. Диэлектрическая проницаемость зависит от температуры, частоты приложенного напряжения, подчиняясь, в целом, закономерностям, проявляющимся у полярных жидкостей.

Вектор напряженности, переходя через границу диэлектриков, претерпевает скачкообразное изменение, создавая тем самым неудобства при расчете элек­тростатических полей. Поэтому оказалось необходимым помимо вектора на­пряженности характеризовать поле еще вектором электрического смещения, который для электрически изотропной среды по определению равен