поляризація діелектриків

Виникнення сумарного дипольного моменту молекул, відмінного від нуля, при внесенні діелектрика в електричне поле

Речовини, які не проводять електричного струму, називаються діелектриками. При не дуже високих температурах і в умовах, коли діелектрики не схильні до дії дуже сильних електричних полів, в цих речовинах, на відміну від провідників, відсутні вільні носії електричного струму.

Молекули діелектрика електрично нейтральні і містять рівне число позитивних і негативних зарядів. Проте, молекули володіють електричними властивостями. У першому наближенні молекулу діелектрика можна розглядати як диполь, що має дипольний електричний момент:

де q - абсолютна величина сумарного позитивного c а також сумарного негативного) зарядів, розташованих, відповідно, в центрах тяжкості цих зарядів;

l - відстань між центрами, тяжкості позитивних і негативних зарядів.

Діелектрик називається неполярних (неполярний діелектрик), якщо електрони атомів в його молекулах розташовані симетрично щодо ядер (H 2. O 2. CCl 4 та ін.). В таких молекулах центри ваги позитивних і негативних зарядів збігаються за відсутності зовнішнього електричного поля (l = 0) і дипольний момент p e молекули дорівнює нулю. Якщо неполярний діелектрик поміщений в зовнішнє електричне поле, то відбувається деформація електронних оболонок в атомах (молекулах) і центри ваги позитивних і негативних зарядів зміщуються один щодо одного (l № 0). У молекулі (атомі) діелектрика виникає індукований (наведений) дипольний електричний момент, пропорційний напруженості Е електричного поля:

p e = e 0 a E. (в СІ)

p e = a E. (в СГСЕ)

де a - коефіцієнт поляризуемости (поляризованість) молекули (атома);

e 0 = 8.85 Ч 10 -12 Ф / м - електрична постійна в СІ.

Поляризуемость молекули залежить тільки від обсягу молекули. Істотно, що a не залежить від температури. Тепловий рух молекул неполярних діелектриків не позначається на виникненні індукованих дипольних моментів. Молекули з такими дипольними моментами подібні квазіпружної (індукованим) диполь.

Полярним діелектриком називається такий діелектрик, молекули (атоми) якого мають електрони, розташовані несиметрично щодо своїх ядер (H 2 O, HCl, NH 3. CH 3 Cl і ін.). В таких молекулах центри ваги позитивних і негативних зарядів не збігаються, перебуваючи, практично, на постійній відстані l один від одного. Молекули полярних діелектриків за своїми електричними властивостями подібні жорстким диполем, у яких є постійний дипольний момент:

Жорсткий диполь, поміщений в однорідне зовнішнє електростатичне поле, відчуває дію пари сил з моментом М рівним:

Момент пари М спрямований перпендикулярно до площини, що проходить через вектори p e і E. причому з кінця М обертання від p e до E по найкоротшому шляху видно, що відбувається проти годинникової стрілки. На рис. 1 момент М спрямований від нас за креслення і прагне повернути диполь так, щоб вектори p e і E були паралельні один одному.

Дія електричного поля на диполь

У реальних молекулах полярних діелектриків крім повороту осей диполів вздовж поля відбувається деформація молекул, і в них створюється деякий індукований дипольний момент.

Якщо полярний діелектрик чи не знаходиться в зовнішньому електричному полі, то в результаті хаотичного теплового руху молекул вектори їх дипольних моментів орієнтовані хаотично. Тому в будь-якому фізично нескінченно малому обсязі D V сума дипольних моментів всіх молекул дорівнює нулю. (При цьому D V >> v 0. де v 0 - обсяг однієї молекули, і в обсязі D V міститься вельми велике число молекул).

У неполярному діелектрику, що не знаходиться в зовнішньому електричному полі, взагалі не можуть виникнути дипольні індуковані моменти молекул. При внесенні діелектрика в зовнішнє електричне поле відбувається поляризація діелектрика, яка полягає в тому, що в будь-якому елементарному обсязі D V виникає сумарний дипольний момент молекул, відмінний від нуля. Діелектрик, який знаходиться в такому стані, називається поляризованим (поляризованим діелектрик). Залежно від будови молекул (атомів) діелектрика різниться три типу поляризації:

а) орієнтаційна поляризація в полярних діелектриках. Зовнішнє електричне поле прагне орієнтувати дипольні моменти жорстких диполів вздовж напрямку електричного поля. Цьому перешкоджає хаотичний тепловий рух молекул, що прагне довільно «розкидати» диполі. В результаті спільної дії поля і теплового руху виникає переважна орієнтація дипольних електричних моментів уздовж поля, зростаюча зі збільшенням напруженості електричного поля і зі зменшенням температури;

б) електронна (деформационная) поляризація в неполярних діелектриках. Під дією зовнішнього електричного поля в молекулах діелектриків цього типу наводяться індуковані дипольні моменти, спрямовані вздовж поля. Тепловий рух молекул не впливає на електронну поляризацію. В газоподібних і рідких діелектриках практично одночасно з орієнтаційної відбувається і електронна поляризація.

в) іонна поляризація в твердих діелектриках, що мають іонні кристалічні решітки. Наприклад, NaCl, CsCl і ін. Зовнішнє електричне поле викликає зміщення всіх позитивних іонів в напрямку напруженості E. а всіх негативних іонів - в протилежну сторону.

Кількісною мірою поляризації діелектрика є вектор поляризації p e. Вектором поляризації (поляризованістю) називається відношення електричного дипольного моменту малого обсягу D V діелектрика до величини цього обсягу:

де p ei - електричний дипольний момент i -й молекули;

n - загальне число молекул в об'ємі D V.

Цей обсяг повинен бути настільки малим, щоб усередині нього електричне поле можна було вважати однорідним. Одночасно число n молекул в об'ємі D V має бути досить велике для того, щоб можна було застосовувати статистичні методи дослідження.

Для однорідного неполярного діелектрика, що знаходиться в однорідному електричному полі:

де n 0 - число молекул в одиниці об'єму,

p e - дипольний момент однієї молекули.

Використовуючи формулу для p e. отримаємо:

P e = n 0 e 0 a E = e 0 c E. (в СІ)