§ III.5.2. Поляризация диэлектриков

1°. Если полярный диэлектрик (III.5.1.4°) не находится во внешнем электрическом поле, то в результате хаотического теплового движения молекул векторы их дипольных моментов ориентированы хаотически. Поэтому в любом физически бесконечно малом объеме ΔV^*)сумма дипольных моментов всех молекул равна нулю.

В неполярном диэлектрике, не находящемся во внешнем электрическом поле, вообще не могут возникнуть дипольные индуцированные моменты молекул (III.5.1.3°).

2°. При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле происходит поляризация диэлектрика, состоящая в том, что в любом элементарном объеме ΔVсуммарный дипольный момент молекул становится отличным от нуля. Диэлектрик, который находится в таком состоянии, называетсяполяризованным(поляризованный диэлектрик). В зависимости от строения молекул (атомов) диэлектрика различается три типа поляризации:

а) ориентационная поляризацияв полярных диэлектриках (III.5.1.4°). Внешнее электрическое поле стремится ориентировать дипольные моменты жестких диполей вдоль направления вектора напряженности электрического поля (III.5.1.5°). Этому препятствует хаотическое тепловое движение молекул, стремящееся произвольно «разбросать» диполи. В итоге совместного действия поля и теплового движения возникает преимущественная ориентация дипольных электрических моментов вдоль поля, возрастающая с увеличением напряженности электрического поля и с уменьшением температуры;

б) электронная (деформационная) поляризацияв неполярных диэлектриках (III.5.1.3º). Под действием внешнего электрического поля в молекулах диэлектриков этого типа наводятся индуцированные дипольные моменты (III.5.1.3°), направленные вдоль поля. Тепловое движение молекул не оказывает влияния на электронную поляризацию. В газообразных и жидких диэлектриках практически одновременно с ориентационной происходит и электронная поляризация;

в) ионная поляризация в твердых диэлектриках, имеющих ионные кристаллические решетки (VII.1.1.3°). (Например, NaCl, CsCl и др.). Внешнее электрическое поле вызывает смещения всех положительных ионов в направлении вектора напряженностиЕ, а всех отрицательных ионов – в противоположную сторону.

3°. Количественной мерой поляризации диэлектрика является вектор поляризацииР_е.Вектором поляризации(поляризованностью) называется отношение электрического дипольного момента малого объема ΔVдиэлектрика к величине этого объема:

,

где p_ei– электрический дипольный моментi-й молекулы,n– общее число молекул в объеме ΔV. Этот объем должен быть настолько малым, чтобы внутри него электрическое поле можно было считать однородным (III.2.1.2°). Одновременно числопмолекул в объеме ΔVдолжно быть достаточно велико для того, чтобы можно было применять статистические методы исследования (II.1.2.2°).

4°. Для однородного неполярного диэлектрика (III.5.1.3°), находящегося в однородном электрическом поле,

,

где n₀– число молекул в единице объема,р_е– дипольный момент одной молекулы. Используя формулу дляр_е (III.5.1.Зº), получим:

(в СИ),

(в системе СГСЭ),

где κ=п₀α–диэлектрическая восприимчивость вещества.

5°. Для однородного полярного диэлектрика (III.5.1.4º), находящегося в однородном электрическом поле,, где– среднее значение составляющей постоянного дипольного момента молекулы вдоль напряженности поля. Если полярный диэлектрик находится в слабом внешнем электрическом поле, то диэлектрическая восприимчивость вычисляется поформуле Дебая-Ланжевена:

(в СИ),

(в системе СГСЭ).

Здесьk– постоянная Больцмана (II.1.4.5),Т– абсолютная температура. Остальные обозначения см. III.5.1.3°. На рис. III.5.2 показана зависимостьдля неполярных (а) и полярных (б) молекул. Прямая (б) не проходит через начало координат ввиду того, что в полярных молекулах обычно происходят ориентационная и электронная поляризации (п. 1°, б) и диэлектрическая восприимчивость состоит из двух частей:κ=κ'+κ'', гдеκ'иκ''выражаются формулами пп. 4° и 5°.

6°. Если диэлектрик находится в однородном электрическом поле, то электрическая нейтральность любого его объема ΔV, содержащего достаточно большое число молекул, обеспечивается взаимной компенсацией противоположных по знаку зарядов диполей, расположенных рядом (рис. III.5.3). В тонких слоях у поверхностейS₁иS₂диэлектрика, ограничивающих его объем, в результате поляризации диэлектрика возникаютповерхностные поляризационные заряды.

У поверхности, в которую входят линии напряженности (III.2.1.4°) внешнего поля, возникают отрицательные заряды концов молекул диполей, а у противоположной поверхности возникают положительные заряды. Поверхностная плотность (III.2.2.3°) σ_pполяризационных зарядов вычисляется по формуле:

,

где P_en– проекция вектораР_ена внешнюю нормаль к поверхности диэлектрика.

В неоднородном электрическом поле поляризация диэлектрика также неоднородна и вектор поляризации Р_езависит от координат. Поэтому кроме поверхностных поляризационных зарядов возникают объемные поляризационные заряды, распределенные с объемной плотностью (III.2.2.3)ρ_p:

,

где – дивергенция вектора поляризации.