14.2. Типы диэлектриков

Можно выделить следующие типы диэлектриков, различающихся по своему строению:

1. Неполярные диэлектрики - водород, азот, парафин, бензол и др.

Молекулы неполярного диэлектрика не обладают дипольным моментом, т.к. центры положительного и отрицательного зарядов совпадают (рис. 14.1).

Потенциал  и электрическое поле E вне таких молекул равны нулю. Во внешнем электрическом поле происходит смещение центров положительного и отрицательного зарядов, такая поляризация называется электронной. Молекула приобретает деформационный дипольный момент P_и, который обращается в нуль при снятии внешнего поля, поэтому такие диполи называются упругими.

2. Полярные диэлектрики - вода, соляная кислота и др.

Молекулы полярного диэлектрика имеют естественный дипольный момент, вследствие несимметричности строения (рис. 14.2). Молекула воды имеет V - образную форму, угол H-O-H составляет примерно 105 (рис. 14.3). Из-за наличия дипольного момента вода является хорошим растворителем. Средний дипольный момент диэлектрика равен нулю вследствие беспорядочной ориентации. Дипольные электрические моменты ориентируются вдоль силовых линий электрического поля, поэтому такая поляризация называется ориентационной.

Рис. 14.1. Рис. 14.2.

Рис. 14.3.

3

178

. Кристаллические диэлектрики - поваренная соль, хлорид калия и др. Кристаллы диэлектрика состоят из положительных и отрицательных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки. Суммарный момент диэлектрика P = 0. В электрическом поле происходит смещение положительных ионов вдоль поля, а отрицательных в противоположном направлении, поэтому появляется деформационный дипольный момент, направленный вдоль внешнего электрического поля (рис. 14.4). Такая поляризация называется ионной.

Рис. 14.4.

14.3. Поляризация диэлектриков

На диэлектрике, внесенном во внешнее электростатическое поле, появляются электрические полюсы, поэтому это явление называется поляризацией диэлектрика. При поляризации каждая молекула диэлектрика становится диполем и приобретает электрический дипольный момент (рис. 14.5):

(14.1)

где l_i – вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному.

Электрический момент диэлектрика равен сумме дипольных моментов молекул, содержащихся в объеме диэлектрика V:

(14.2)

Вектором поляризации P называется электрический момент единицы объема диэлектрика:

(14.3)

Поляризация называется однородной, если диэлектрик однороден по своим свойствам и смещение зарядов l во внешнем поле одинаково по величине и направлению во всех точках диэлектрика.

Механизм поляризации связан со строением диэлектрика. Если диэлектрик состоит из неполярных молекул, которые в отсутствие внешнего электрического поля не

Рис. 14.5.

обладают, естественным дипольным моментом, то под действием поля происходит деформационная поляризация, иначе говоря, смещение зарядов.

В полярном диэлектрике молекулы обладают дипольным моментом, но, вследствие теплового движения молекул, дипольные моменты имеют различную ориентацию и средний электрический момент может быть равен нулю. Под действием внешнего поля дипольные моменты ориентируются по направлению поля, поэтому такая поляризация называется ориентационной. Во внешнем электрическом поле возникает момент сил М, стремящихся повернуть диполь так, чтобы его электрический момент P установился по направлению напряженности электрического поля E (рис. 14.6).

Рис. 14.6.

Поскольку внутриатомные и внутримолекулярные силы велики, то внешние силы позволяют осуществить только малую деформацию. Индуцированный дипольный момент много меньше, чем естественный момент . Если в веществе уже имеется естественная поляризация, то деформационная поляризация во внешнем поле может только несколько изменить величину естественной поляризации. Естественный дипольный момент не зависит от величины и направления внешнего поля. Результирующий дипольный момент:

(14.4)