Диэлектрики.

Диэлектрики – это вещества, у которых отсутствуют свободные носители электрического заряда. Электрически заряженные частицы – электроны и ядра – в диэлектриках связаны друг с другом, образуя электрически нейтральные атомы. Но диэлектрик искажает внешнее электрическое поле, следовательно, в нём возникает внутреннее электрическое поле, которое индуцируется внешним полем. Всякое поле создаётся зарядами, значит, при внесении диэлектрика во внешнее поле внутри него появляются заряды. В отличие от свободных зарядов металла заряды в диэлектриках являются связанными.

Существует несколько моделей диэлектриков.

1) Полярные диэлектрики – это диэлектрики у молекул которых центры положительного и отрицательного зарядов не совпадают (например, молекула воды, аммиака, эфира, ацетона) и находятся на расстоянии ℓ друг от друга. Такие молекулы называют диполями. Произведение величины одного из зарядов на расстояние между ними называют дипольным моментом

. (16.2)

В

Рисунок 16.5

Рисунок 16.6

ектор ℓ направлен от отрицательного заряда к положительному. Если поместить простейший диполь во внешнее поле, то возникающий момент сил, изображённый на рисунке 16.5, будет стремиться повернуть его так, чтобы дипольный момент стал параллелен вектору Е. Если поля нет, то полярные молекулы совершают хаотические тепловые движения и ориентированы совершенно беспорядочно. При наложении электростатического поля дипольные моменты молекул ориентируются преимущественно в направлении поля. В результате диэлектрик поляризуется. Рассмотренный механизм поляризации полярного диэлектрика называют ориентационной поляризацией. Степень ориентационной поляризации зависит от свойств диэлектрика, напряжённости поля и температуры. При исчезновении внешнего поля исчезает и поляризация диэлектрика, так как тепловое движение сразу же разрушает единую ориентацию молекул. Правда существуют диэлектрики, называемые сегнетоэлектриками, у которых значительная поляризация сохраняется и после исчезновения поля. В сегнетоэлектриках имеются области с самопроизвольной поляризацией – микроскопические объёмы, в каждом из которых все дипольные молекулы ориентированы одинаково. Поэтому внешнее поле поворачивает не отдельные полярные молекулы, а целые полярные объёмы. После исчезновения поля тепловое движение сможет дезориентировать такие объёмы только при достаточно высокой температуре, иначе сегнетоэлектрик остаётся поляризованным. Сегнетоэлектриками являются, например сегнетова соль и титанат бария (BaTiO₃).

2) Неполярные диэлектрики – это диэлектрики, у которых молекулы не имеют дипольного момента, так как центры положительного и отрицательного зарядов совпадают и ℓ=0. Однако во внешнем поле они поляризуются, приобретая индуцированный дипольный момент за счёт сдвига центров распределения положительного и отрицательного зарядов. К неполярным диэлектрикам относятся все инертные газы. Рассмотрим поляризацию неполярного диэлектрика. Механизм поляризации такого диэлектрика представлен на рисунке 16.6. Заряды в диэлектрике могут смещаться из своих положений равновесия лишь на малые расстояния, порядка атомных. Положим, что диэлектрик состоит из электрически нейтральных молекул. Под действием приложенного электрического поля центр заряда электронов в молекуле немного смещается относительно центра заряда атомных ядер. Молекулы становятся электрическими диполями, ориентированными положительно заряженными концами в направлении электрического поля E. В этом случае говорят, что диэлектрик поляризован, а само смещение положительных зарядов диэлектрика в разные стороны называют электронной поляризацией.

Под действием внешнего электрического поля диполи в веществе поворачиваются, если они уже существовали, или образуются новые. В результате под действием внешнего электрического поля диполи выстраиваются так, что образуют структуру, электрическое поле которой направлено против внешнего электрического поля. На рисунке 16.7 показано такое выстраивание диполей в плоской пластине, где внутри пластины заряды диполей компенсируются, а на ее поверхности образуются заряды противоположного знака. Индуцированные заряды создают своё собственное поле напряжённостью Е’, направленное против внешнего поля Е₀. Поэтому результирующая напряжённость Е поля в диэлектрике всегда меньше Е₀

. (16.3)

Такое явление называется поляризацией диэлектрика, а заряды на поверхности – индуцированными. Индуцированные на поверхности заряды создают индукционное поле, которое ослабляет внешнее электрическое поле. Величину ослабления характеризует относительная диэлектрическая проницаемость среды

. (16.4)