2.3. Количественные характеристики поляризации. Поляризованность

Количественной мерой поляризации диэлектрика служит вектор поляризации (поляризованности) , равный отношению электрического дипольного момента малого объема диэлектрика к этому объему:

, (2.8)

где – электрический дипольный момент i-ой молекулы; N – общее число молекул в объеме . Этот объем должен быть достаточно малым, чтобы в его пределах поле можно было считать однородным. В то же время число молекул в таком объеме должно быть достаточно велико, чтобы к ним можно было применить статистические закономерности. Таким образом, поляризованность диэлектрика численно равна дипольному электрическому моменту единицы объема вещества.

В пределах малого объема все молекулы диэлектрика имеют одинаковые дипольные моменты , поэтому с учетом (2.6) и (2.7) получаем

, (2.9)

где n – концентрация молекул диэлектрика.

Величина называется диэлектрической восприимчивостью вещества. Из рассмотрения механизма поляризации неполярных диэлектриков следует, что их диэлектрическая восприимчивость не зависит явно от температуры (см. 2.5). Температура может влиять на значение только косвенно – через концентрацию молекул.

Диэлектрическая восприимчивость полярных диэлектриков обратно пропорциональна температуре (рис. 2.3). Из (2.7) получаем, что

. (2.10)

Тепловое движение мешает выстраивать электрические моменты полярных молекул по направлению .

В очень сильном электрическом поле и при достаточно низкой температуре электрические моменты всех молекул располагаются практически параллельно напряженности внешнего поля . При этом поляризованность полярного диэлектрика достигает максимального значения. Поэтому линейная зависимость модуля поляризованности от модуля напряженности поля наблюдается только в достаточно слабых полях (рис.2.4).

Введем еще одну физическую величину – вектор электрической индукции (часто его называют вектором электрического смещения):

, (2.11)

где  – относительная диэлектрическая проницаемость вещества. Это безразмерная величина, причем .

8. Связанные заряды на поверхности диэлектрика

В ходе поляризации диэлектрика в тонких слоях у его поверхностей возникают нескомпенсированные связанные заряды, называемые поверхностными поляризационными зарядами. Поверхностную плотность связанных зарядов можно найти следующим образом.

На рис. 2.5 показан слой неполярного диэлектрика, помещенного во внешнее электрическое поле напряженностью . Электрические моменты и оси всех диполей диэлектрика ориентированы одинаково – вдоль направления поляризованности. Внешняя нормаль к границе диэлектрика составляет некоторый угол  с направлением векторов и . Выделим в слое некоторый объем диэлектрика в виде косого цилиндра с площадью основания dS и длиной образующей l. Суммарный электрический момент диполей, попавших в этот объем, определится произведением модуля связанного заряда на поверхности диэлектрика и l :

. (2.12)

С другой стороны, в соответствии с (2.8),

, (2.13)

где – проекция вектора поляризации на нормаль к границе диэлектрика. Сравнение (2.12) и (2.13) дает

. (2.14)

Таким образом, поверхностная плотность связанных зарядов на границе диэлектрика с другой средой (с другим веществом) равна проекции вектора поляризации диэлектрика на нормаль к выбранной поверхности.