3. Діелектрики в електростатичному полі.

Відносно терміну діелектрик існує дві версії:

Перша – “ді” на грецькій мові означає “двічі”, подвійно. Отже діелектрик – речовина з двома видами зарядів.

Друга версія – “діа” – в грецькій мові означає “через”.

Майкл Фарадей ввів термін діелектрик для визначення речовин, через які проходять електричне поле, на відміну від провідників, що є екранами.

О обидві версії мають право на існування, але в металах теж існують два види зарядів, що проявляється в поляризації їх.

В обох випадках на поверхнях куль індукуються електричні заряди: тільки і того, що в металах цей заряд більший. Тобто з ції точки зору відмінність між діелектриками і металами суто кількісна.

Але є відміна і якісна: якщо розділити металеву поляризовану кулю, то одержимо дві різнойменно заряджені півкулі.

Якщо теж саме зробити з діелектричною кулею, то одержимо дві поляризованих півкулі.

У металах у зовнішньому полі заряди розділяються просторово, а у діелектриках – має місце зміщення зарядів у межах атома чи молекули.

Деякі молекули діелектриків, наприклад молекула води Н₂О, знаходиться в поляризованому стані і без дії зовнішнього поля:

Молекула води полярна і

я вляє собою диполь, на

відміну від симетричних

молекул, які без зовнішнього поля – нейтральні.

В зовнішньому полі полярні молекули переорієнтовуються і діелектрик поляризується.

Діелектрик із симетричними молекулами у зовнішньому полі теж поляризується бо має місце зміщення ядер в один бік, а електронних оболонок в інший.

Найважливішим результатом поляризації діелектриків є зменшення сили взаємодії зарядів у діелектричних середовищах у порівнянні з їх взаємодією у вакуумі. Наприклад у воді таке зменшення близьке до 80 разів. Причина такого явища - “втручання” полярних молекул води у взаємодію зарядів.

Опущені у воду два тіла із зарядами Q і q орієнтують диполі води так, що у сфері радіусом R_еф., що трохи більша за сферу R, результуючий заряд Q′ буде менше за Q, оскільки позитивний заряд Q атому Na буде компенсуватись відємними зарядами молекул води_.

Т еж саме стосується і сфери

навколо заряду q. Застосуємо

закон Кулона для обчислення

сили взаємодії зарядів у воді,

к

q´

оли їх заряди стали Q та q

. Q та q - ефективні заряди

Однак такий підхід визначення сили взаємодії незручний тим, що в іншому діелектрику ефективні заряди Q та q будуть іншими і т.д.

Зручніше ввести у закон Кулона в знаменник “понижуючий” коефіцієнт. Це не що інше, як  - діелектрична проникність.  - показує, у скільки разів діелектрик ослаблює взаємодію зарядів порівняно з вакуумом

.

Оскільки відомо, що один заряд діє на інший створюючи навколо себе електричне поле , то аналізуючи ослаблення взаємодії зарядів у середовищі дійдемо висновку, що діелектрик зменшує напруженість поля, яке б було у вакуумі .

4. Механізм поляризації діелектриків.

Типовими для діелектриків є три механізми поляризації.

1. Пружна електронна поляризація.

Цей механізм найуніверсальніший і полягає у зміщенні в електричному полі з напруженістю ядер і електронних оболонок у протилежних напрямках. Результатом такого зміщення є виникнення невеликого дипольного моменту навіть у тих атомів, що мали строго симетричне розташування зарядів без поля.

Я кщо змістилося на відстань

х від центру і перебуває у рівновазі,

бо на нього діють дві сили:

І – зі сторони електростатичного поля , де - заряд ядра.

ІІ – з боку частини заряду електронної оболонки - вона виділена штриховкою.

Ця частина заряду відноситься до нового заряду оболонки як , тобто .

Умова рівноваги буде .

Обчислення величина х дозволяє написати значення електричного моменту утвореного диполя .

Останню формулу прийнято записувати як: , де .

 - пропорційна об’єму атома, чи молекули і називається поляризованістю атома, чи молекули.

Досліди показують, що  = min для інертних газів, які погано взаємодіють з речовинами, тобто погано обмінюються валентними електронами, оскільки останні міцно тримаються атомом. Завдяки цьому і поляризованість у них мала.

У лужних металів, зовнішній електрон знаходиться далеко від ядра і має змогу значно віддалятись від нього, атом значно поляризується і  = mах.

Оскільки і коли говорить про те, що ми маємо пружний характер зміщення зарядів у атомах. Такий варіант поляризації – пружний. Це - пружна електронна поляризація.

4.2. Поляризація полярних діелектриків.

Абсолютні значення зміщень х у випадку пружної поляризації надзвичайно малі при

У полярних молекул Н₂О, NН₃, SО₂, СО значно більша асиметрія зарядів порівняно зі зміщенням під дією електричного поля. Тому дипольні моменти цих молекул, що існують і без поля, значно більші від індукованого дипольного момента . Тобто поляризація таких речовин полягає в переорієнтації власних моментів Р₀ у зовнішньому полі і мало залежить від поляризації .

4.3. Поляризація іонних кристалів.

Кристал NaCl, KCl, KBr.... мають іонний зв’язок у кристалах: Na^Cl.