10 Диэлектрики. Полярные и неполярные молекулы. Сегнетоэлектрики и их свойства.

Диэлектрики (изоляторы), вещества, не проводящие электрический ток. К диэлектрикам относятся различные виды пластмасс, стекол, керамики, кристаллы солей, сухая древесина, многие чистые жидкости (дистиллированная вода, масла, бензины), газы при не очень сильных внешних полях. Все заряженные частицы, образующие данное непроводящее вещество, связаны между собой и не способны передвигаться по объему тела.

Заметим, что резкой границы между проводниками и изоляторами нет, так как все вещества в той или иной степени способны проводить электрический ток, однако, во многих случаях слабой проводимостью веществ можно пренебречь и считать их идеальными изоляторами. Возможность такого приближения необходимо рассматривать в каждом конкретном случае отдельно. Заметим, что во многом применимость модели идеального изолятора определяется временами протекания рассматриваемых процессов, более подробно эта проблема будет рассмотрена позднее.

Так как все вещества состоят из электрически заряженных частиц, то все вещества взаимодействуют с электрическим полем. В диэлектриках под действием электрического поля заряды могут смещаться на незначительное расстояние, величина этого смещения меньше размеров атомов и молекул. Тем не менее, эти смещения могут приводить к весьма заметным последствиям, таки как появление индуцированных зарядов. В отличие от проводников, в диэлектриках индуцированные заряды могут возникать как на их поверхности, так и внутри их объема. Явление возникновения зарядов под действием внешнего поля называется поляризацией диэлектрика, а сами возникающие заряды называются поляризационными.

Существуют несколько механизмов поляризации диэлектрика, соответственно с которыми различают несколько типов диэлектриков, некоторые из них мы сейчас кратко рассмотрим.

Неполярные диэлектрики. К этому классу диэлектриков относятся вещества, состоящие из атомов и молекул, не обладающих собственными дипольными моментами в отсутствии поля. Типичными примерами таких веществ являются одноатомные благородные газы; газы, состоящие из симметричных двухатомных молекул – кислород, водород, азот; различные органические жидкости масла, бензины; из твердых тел – пластмассы.

В молекулах этих веществ центры положительных зарядов ядер и отрицательных зарядов электронных облаков совпадают

Полярные диэлектрики. Некоторые молекулы обладают собственным дипольным моментом даже в отсутствии внешнего электрического поля. Такие молекулы называются полярными, а диэлектрики, образованные такими молекулами – полярными. Полярные молекулы несимметричны, электронные плотности в них смещены к одному из атомов.

Типичным примером такой молекулы служит молекула воды H₂O, в которой электронные облака смещены к атому кислорода, вследствие чего центры положительных и отрицательных зарядов смещены друг относительно друга, поэтому молекула обладает собственным дипольным моментом

Сегнетоэлектрики – особый класс диэлектриков, отличительными свойствами которых являются: 1) диэлектрическая проницаемостьε этих веществ может достигать нескольких тысяч (для сравнения, у такого сильного полярного диэлектрика как вода ε=81); 2) зависимость от не является линейной; 3) при переполяризации сегнетоэлектрика обнаруживается явление гистерезиса, то есть запаздывание следования за изменением поля ; 4) наблюдается сложная зависимость ε от температуры, причем для каждого сегнетоэлектрика существует такая температура (называемая точкой Кюри), выше которой сегнетоэлектрик утрачивает свои свойства и становится обычным диэлектриком.