Электрическое поле в диэлектриках. Поляризация диэлектриков. Вектор поляризации. Диэлектрическая проницаемость среды.

Диэлектрики – вещества, не способные проводить электрический ток. Они в 10¹⁵-10²⁰ раз хуже проводят ток, чем полупроводники.

Атомы и молекулы состоят из положительно заряженных ядер и движущихся вокруг них отрицательно заряженных электронов. У диэлектриков заряды, входящие в состав молекулы, прочно связанны друг с другом и могут быть разделены только при воздействии на них очень сильного поля. Поэтому заряды, входящие в состав молекул диэлектрика, называются связанными.

Внутри или на поверхности диэлектрика могут находиться заряды (свободные), которые не входят в состав его молекул.

В зависимости от взаимного расположения зарядов наблюдается два типа молекул. У молекул одного типа центры положительных и отрицательных зарядов смещены друг относительно друга, вследствие чего молекула обладает собственным дипольным моментом. Такие молекулы наз. полярными. У молекул другого типа, называемых неполярными, дипольный момент равен нулю (вследствие их симметрии центры положительных и отрицательных зарядов совпадают).

Под действием внешнего электрического поля молекулы различных типов ведут себя по-разному. На полярные молекулы поле в основном оказывает ориентирующее действие, стремясь установить их дипольными моментами по полю. Величину дипольного момента полярной молекулы поле существенно не изменяет. Ориентирующему действию поля на полярные молекулы противится тепловое движение, которое стремится разбросать моменты молекул равномерно по всем направлениям. В результате противоборства этих двух тенденций устанавливается преимущественная ориентация дипольных моментов по полю, тем больше, чем сильнее поле и чем ниже температура. Это приводит к тому, что вещество в целом приобретает электрический дипольный момент или поляризуется. Такой вид поляризации наз. ориентационной поляризацией.

Действие поля на неполярную молекулу приводит к тому, что центр положительных зарядов смещается в направлении поля, а центр отрицательных зарядов – в противоположную сторону. В результате неполярная молекула приобретает индуцированный (наведенный) дипольный момент, точно ориентированный по полю. Такая поляризация наз. электронной. Неполярная молекула сходна с пружиной, удлинение которой пропорционально приложенной к ней силе. Неполярные молекулы называют упругими диполями. Соответственно полярные – жесткими диполями.

Независимо от типа молекул диэлектрики под действием внешнего поля приобретают дипольный момент. Это явление называется поляризацией диэлектрика.

В качестве количественной характеристики поляризации естественно взять дипольный момент единицы объема диэлектрика, который наз. поляризованностью диэлектрика (P). Если диэлектрик поляризован однородно, поляризованность равна сумме дипольных моментов молекул, содержащихся в единице объема вещества:

P =

(p – дипольный момент отдельной молекулы; суммирование производится по объему V, равному единице).

В случае неоднородной поляризации для нахождения поляризованности в какой-либо точке диэлектрика нужно выделить в окрестности этой точки физически бесконечно малый объем ∆V, определить суммарный дипольный момент молекул в этом объеме и взять отношение его к ∆V:

P =

Поляризованный диэлектрик становится источником электрического поля E', кот. Накладывается на поле сторонних зарядов E₀. В итоге возникает поле

E = E₀ + E'

Весь поляризованный диэлектрик можно рассмотреть как диполь с определенным дипольным моментом.

Для количественной оценки поляризации диэлектрика вводится понятие вектора поляризации . Под вектором поляризации понимают векторную сумму электрических дипольных моментов молекул единицы объема поляризованного диэлектрика; по-другому, вектор поляризации определяется электрическим дипольным моментом единицы объема поляризованного диэлектрика

,

где - электрический момент i-го диполя; n – количество диполей в объеме ∆V.

В случае поляризованного диэлектрика с неполными молекулами все векторы имеют одинаковое направление, поэтому вектор поляризации будет:, где n₀ – количество диполей в единице объема. Т.к. , то

множитель χ = n₀β. Вектор всегда направленный в направлении реального поля , поэтому χ>0. Т.о. получаем

Количественная характеристика электрических свойство диэлектрика является безмерная величина ε – относительная проницаемость диэлектрика,