9.2 Диэлектрики в электрическом поле

9.2.1 Поведение молекул диэлектрика в электрическом поле

Согласно классической теории электропроводности, главной особенностью диэлектриков, отличающей их от проводников, является отсутствие в них свободных зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля. В связи с этим все диэлектрики по электрическим свойствам молекул и атомов, из которых они состоят, можно условно разделить на две основные группы: на полярные и неполярные.

В полярных диэлектриках атомы в молекулах располагаются таким образом, что саму молекулу можно считать электрическим диполем, поскольку у неё есть два полюса, заряженные положительно и отрицательно. Типичными примерами полярных диэлектриков являются H₂O, NH₃, HCl. Молекулы таких веществ обладают электрическим дипольным моментом , величина которого зависит от формы молекул, размеров и взаимного расположения атомов, из которых они состоят.

Атомы в молекулах неполярных диэлектриков расположены таким образом, что геометрические центры областей сосредоточения положительных и отрицательных зарядов совпадают, и поэтому электрический дипольный момент молекулы оказывается равным нулю. Примеры таких веществ: H₂, N₂, CCl₄

Введём вектор , который называется поляризованностью вещества; его величина равна отношению суммарного электрического дипольного момента некоторого объёма V диэлектрика к величине этого объёма (единица измерения в СИ – Клм^2).

 . (9.6)

Понятно, что в обычных условиях поляризованность неполярных диэлектриков равна нулю (в них все  0). Но в отсутствие внешних воздействий поляризованности нет и у полярных диэлектриков: поскольку ориентация их молекул носит хаотический характер, то для любого элемента объёма  0.

Однако, при внесении диэлектриков в электрическое поле картина меняется. Элементарные диполи – молекулы полярных диэлектриков – в электрическом поле разворачиваются. Взаимодействие молекул друг с другом, играет роль сил трения, поэтому все молекулы сразу развернуться по полю не могут. Свой вклад в нарушение порядка дают и тепловые колебания, тем не менее, в области не слишком сильных полей можно считать, что возникающий суммарный дипольный момент единицы объёма прямо пропорционален величине внешнего электрического поля, то есть  , и, следовательно,  (рис. 9.8.а).

Под действием внешнего электрического поля молекулы неполярного диэлектрика повернуться не могут, однако они начинают деформироваться, «растягиваться», то есть сами становятся диполями (рис. 9.8.б). Чем больше , тем сильнее растяжение и, соответственно, дипольный момент каждой единицы объёма. Таким образом, и для неполярного диэлектрика  , или  .

Сама сумма дипольных моментов пропорциональна числу молекул (  N), следовательно, с учетом того, что  n, где n – концентрация молекул,  n.

Последнее выражение можно записать в виде равенства, введя в него в виде сомножителей электрическую постоянную ₀ и некоторый параметр , определяемый свойствами диэлектрика (характером отдельных связей между атомами в молекулах, температурой и т. д.):

 ₀n. (9.7)

Произведение   n называется диэлектрической восприимчивостью вещества, это безразмерная величина.

Таким образом, для не слишком сильных полей выполняется соотношение, полученное впервые П.Дебаем

 ₀. (9.8)