Тема III. Электрическое поле при наличии диэлектриков. §15 классификация диэлектриков.

97-98% всех диэлектриков можно разделить на три класса.

1.Неполярные диэлектрики, атомы и молекулы которых имеют такую конфигурацию электронных облаков, что центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов совпадают. В этом случае атомы и молекулы не имеют собственного дипольного момента.

К неполярным диэлектрикам относятся некоторые газы (напр., Не), жидкости (напр., бензол), сложные вещества (напр., парафин).

2.Полярные диэлектрики, это вещества, атомы и молекулы которых имеют такую конфигурацию электронных облаков, что центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Атом или молекулу можно рассматривать как диполь и характеризовать определенным дипольным моментом. К полярным диэлектрикам относятся вода, спирт. Вне электрического поля молекулы – диполи ориентированы беспорядочно.

3. Ионные кристаллы можно рассматривать как систему двух подрешеток из положительных и отрицательных ионов.

§ 16 Диполь в электрическом поле.

Диполь используется как модель для описания поведения молекул диэлектриков в электрическом поле.

Поэтому рассмотрим поведение диполя во внешнем электрическом поле. Для упрощения будем считать, что напряженность поля создаваемого самим диполем по сравнению с напряженностью внешнего поля очень мала, т.е. полем диполя можно пренебречь.

Рассмотрим жесткий диполь в однородном электрическом поле.

РИС.23

На заряды диполя со стороны поля действуют две равные по величине и противоположные силы, так называемая пара сил, которая создает механический вращающий момент (рис.23а).

Так как поле потенциально, то работа сил поля идет на изменение энергии диполя:

Если диполь расположен перпендикулярно линиям напряженности , то cos =0 и

энергия также равна нулю.

Если дипольный момент параллелен линиям напряженности, то энергия диполя в этом положении минимальна, а механический момент, действующий на диполь со стороны электрического поля, равен нулю (рис.23б).

Следовательно, положение, при котором диполь параллелен линиям напряженности – устойчивое, и свободный диполь в однородном электрическом поле будет располагаться вдоль линий напряженности.

Рассмотрим диполь в слабом неоднородном поле. В этом случае силы, действующие на заряды диполя, не равны. Результирующая этих сил : , ,

РИС.24 РИС.25

Под действием этих сил диполь будет поворачиваться, а его центр будет перемещаться в направлении результирующей силы.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ КАРТИНА ПОЛЯРИЗАЦИИ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Процессы, которые происходят в диэлектриках, помещенных в электрическое поле, рассматривают как три вида поляризации диэлектриков. Поляризацией диэлектрика называется явление ориентации или появления диполей под действием электрического поля.

1.Электронная или деформационная наблюдается для неполярных диэлектриков из- за смещения (деформации) электронных облаков в электрическом поле (рис.37а).

а ) б)

РИС.37

В результате этого у молекул или атомов возникает индуцированный дипольный момент, величина которого, как показывает опыт, пропорциональна напряженности

поля: , где  - поляризуемость молекулы.

2.Ориентационная или дипольная поляризация наблюдается для полярных диэлектриков, молекулы которых подобно жестким диполям способны ориентироваться вдоль линий напряженности поля, хотя этому препятствует тепловое движение (рис.37б).

3.Ионной поляризацией называется смещение ионных подрешеток в кристаллических диэлектриках.

Представим диэлектрик в виде совокупности элементарных объемов, но содержащих настолько большое количество молекул, чтобы можно было ввести понятие температуры.

В результате поляризации элементарные объемы диэлектрика приобретают дипольные моменты, а на поверхности диэлектрика появляются связанные или поляризационные заряды.

Вектором поляризации или поляризованностью называется дипольный момент единичного объема. , Р=Кл/м²

Поляризованность зависит от: химического состава и примесей, агрегатного состояния, от величины напряженности поля и от его направления по отношению к кристаллической решетке для анизотропных сред, от температуры и давления для дипольной поляризации.

а) б) в)

РИС.38

На рис.38а показано появление поверхностных зарядов под действием внешнего поля. На рис.38б – ориентация диполей диэлектрика вокруг положительно заряженного тела.

Если диэлектрик неоднородный, то при ориентировке диполей под действием внешнего поля внутри него появятся объемные заряды (весь диэлектрик при этом остается нейтральным). На рис.38в показано, что при этом число диполей в единице объема различно и в объеме, очерченном пунктирной линией присутствует объемный заряд.