Глава III.5.Диэлектрики в электрическом поле § III.5.1. Дипольные моменты молекул диэлектрика

1º. Вещества, которые не проводят электрического тока, называются диэлектриками. При не слишком высоких температурах и в условиях, когда диэлектрики не подвержены действию очень сильных электрических полей, в этих веществах, в отличие от проводников, отсутствуют свободные носители электрического заряда.

2º. Молекулы диэлектрика электрически нейтральны и содержат равное число положительных и отрицательных зарядов. Тем не менее молекулы обладают электрическими свойствами. В первом приближении молекулу диэлектрика можно рассматривать как диполь, имеющий дипольный моментр_е=ql(III.2.2.3°), гдеq– абсолютная величина суммарного положительного (а также суммарного отрицательного) заряда,l– расстояние между центрами тяжести положительных и отрицательных заряженных частиц. Как всякий диполь, молекула вещества создает в окружающем пространстве электрическое поле (III.2.2.3°).

3°. Диэлектрик называетсянеполярным(неполярный диэлектрик), если электроны атомов в его молекулах расположены симметрично относительно ядер (Н₂, О₂, СС1₄и др.). В таких молекулах центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают в отсутствие внешнего электрического поля [l= 0 (п. 2°)] и дипольный моментр_емолекулы равен нулю. Если неполярный диэлектрик помещен во внешнее электрическое поле, то происходит деформация электронных оболочек (VI.2.3.6º) в атомах (молекулах) и центры тяжести положительных и отрицательных зарядов смещаются друг относительно друга (l≠ 0). В молекуле (атоме) диэлектрика возникаетиндуцированный(наведенный)дипольный электрический момент, пропорциональный напряженностиЕэлектрического поля:

(в СИ),

(в системе СГСЭ),

где α–коэффициент поляризуемости(поляризуемость) молекулы (атома),ε₀– электрическая постоянная в СИ (III.1.2.7°).

Поляризуемость молекулы зависит только от объема молекулы. Существенно, что αне зависит от температуры. Тепловое движение молекул неполярных диэлектриков не сказывается на возникновении индуцированных дипольных моментов. Молекулы с такими дипольными моментами подобныквазиупругим(индуцированным)диполям.

4°.Полярным диэлектрикомназывается такой диэлектрик, молекулы (атомы) которого имеют электроны, расположенные несимметрично относительно ядер атомов (Н₂О, НС1, NH₃, CH₃C1 и др.). В таких молекулах центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают, находясь, практически, на постоянном расстоянииlдруг от друга. Молекулы полярных диэлектриков по своим электрическим свойствам подобныжестким диполям, имеющимпостоянный дипольный момент:р_е= = const.

5°. Если жесткий диполь помещен в однородное внешнее электростатическое поле, то действие поля на диполь выражается парой сил (I.4.1.6°) с моментомМ, равным:

.

Момент парыМнаправлен перпендикулярно к плоскости, проходящей через векторыp_eиЕ, причем из концаМвращение отр_екЕпо кратчайшему пути видно происходящим против часовой стрелки. На рис. III.5.1 моментМнаправлен от нас за чертеж и стремится повернуть диполь так, чтобы векторыр_еиЕбыли параллельны друг другу. В реальных молекулах полярных диэлектриков помимо поворота осей диполей вдоль поля происходит деформация молекул, и благодаря этому дипольный момент становится отличным от нуля (п. 3°).

6°. Если жесткий диполь помещен в неоднородное электрическое поле, напряженность которогоEизменяется на длине диполяl, то помимо вращающего моментаМ(п. 5°), поле действует на диполь с силойF, равной

или, в более общем виде:

,

где p_ex,p_eyиp_ez– проекции вектораp_eна оси декартовой системы координат. В частности, если векторЕнаправлен по осиОХи зависит только от координатых(E_x=E(х),E_y=E_z= 0 иЕ=E_xi), то

.

Под действием внешнего электростатического поля свободный жесткий диполь стремится переместиться в область наибольшей напряженности поля.

7°. Жесткий диполь, находящийся во внешнем электрическом поле, обладает потенциальной энергиейW_п, равной

,

где р_е– электрический момент диполя,Е– напряженность поля в месте, где находится диполь,– угол между осью диполя и направлением вектораЕ. Знак минус означает, что устойчивому расположению диполя соответствует угол, когда потенциальная энергия диполя имеет наименьшее значение, и векторр_енаправлен вдоль вектораЕ.