1.8. Электрическое поле в диэлектриках

Поместим в однородное электри­ческое поле диэлектрическую пластину (рис. 1.17). Опыт показывает, что в этом случае поле внутри пластины будет меньше, чем во внешней области (в вакууме или воздухе), но отлично от нуля.

Уменьшение до нуля электри­ческого поля в металлической пластине (см. пример 1.7) было связано с поя­вле­нием на ее поверхности индуци­ро­ван­ных зарядов. Можно предположить, что на поверхностях диэлектрической пла­сти­ны также появляются заряды противоположных знаков, поле которых частично компенсирует внешнее поле.

Появление на поверхности диэлектрика зарядов во внешнем поле называется поляризацией диэлектрика, а сами заряды – поляризационными.

Откуда же берутся поляри­за­ци­он­ные заряды? В диэлектриках свободных электронов очень мало, их перемещение по объему диэлектрика крайне затруднено. Такие электроны не смогли бы уменьшить внешнее электрическое поле в несколько раз и на роль поляризационных зарядов не годятся. Основную же роль здесь играют связанные заряды – заряды, входящие в состав атомов и молекул. Эти заряды не могут перемещаться по всему объему вещества, они могут лишь смещаться внутри электрически нейтральных молекул.

Поляризация диэлектрика является результатом поляризации каждой его молекулы (атома). Причем механизм поляризации зависит от свойств молекул диэлектрика. Молекулы могут быть полярными и неполярными. Если центры тяжести всех положительных и отрицательных зарядов молекулы совпадают, то молекула называется неполярной. В противном случае молекула является полярной. В качестве простых примеров можно привести жидкие диэлектрики: вода (Н₂О), молекулы которой полярные, и тетрахлорметан ССl₄, молекулы которого неполярные.

Рассмотрим вначале механизм поляризации полярных молекул. Полярную молекулу можно приближенно рассматривать как диполь. Диполь (двойной полюс) представляет собой систему двух равных по модулю, но противоположных по знаку зарядов, находящихся на некотором (обычно малом) расстоянии друг от друга (рис. 1.18). Величинаназывается дипольным моментом. Векторпринято направлять от отрицательного заряда к положительному. В случае полярных молекул, состоящих из многих атомов- расстояние между центрами тяжести положительных и отрицательных зарядов молекул, а- полный заряд всех протонов в молекуле.

В отсутствие внешнего электрического поля диполи (полярные молекулы диэлектрика) ориентированы хаотически. В любой части диэлектрика находится одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов, и, вследствие хаотической ориентации молекул, суммарное поле, создаваемое этими молекулами (связанными зарядами) равно нулю. Во внешнем электрическом поле на полярную молекулу действуют силы, стремящиеся повернуть диполь по направлению силовых линий (см. рис. 1.19). Таким образом, электрическое поле стремится упо­ря­дочить расположение молекул. Этому препятствует тепловое движение мо­ле­кул. В зависимости от величины напряженности электрического поля, определенная часть молекул рас­по­ложится так, что их дипольные мо­менты будут направлены вдоль сило­вых линий поля (рис. 1.20). Вслед­ствие упорядочения в располо­жении молекул на поверх­но­сти диэлектрика по­являются неском­пен­сированные свя­зан­ные заряды, кото­рые и называются поляриза­цион­ными (поля зарядов, находящихся внутри объема диэлек­трика компен­сируют друг друга).

В случае тонкой диэлектри­чес­кой пластины, помещенной в однородное внешнее поле с напря­жен­ностью , поле поляри­заци­онных зарядов можно рассчитать как поле двух равномерно заряженных пластин с поверхностными плотно­стями зарядови(см. рис. 1.17, 1.20). Таким образом,,и результирующее поле внутри диэлектрика меньше, чем во внешнем пространстве:.

Итак, поляризация диэлектриков, состоящих из молекул с отличным от нуля дипольным моментом, имеет преимущественно ориентационный характер. Теперь обсудим механизм поляризации диэлектриков, состоящих из атомов, либо неполярных молекул (частиц, дипольный момент которых равен нулю). Атом можно представить как положительно заряженное ядро, вокруг которого находятся электронные «облака» отрицательно заряженных электронов. В отсутствие внешнего электрического поля центр «тяжести» электронных «облаков» совпадает с положением ядра, т. е. центром «тяжести» положительного заряда. Если атом поместить в электрическое поле, силы, действующие на электроны и ядро, будут направлены в разные стороны. В результате электронные «облака» искажаются (рис. 1.21). Теперь центры тяжести отрицательных и положительных зарядов в атоме уже не совпадают. Атом можно рассматривать как диполь, ориентированный вдоль силовых линий внешнего электрического поля . Диполь, появляющийся во внешнем электрическом поле называется индуцирован­ным диполем. Аналогичным образом происхо­дит поляризация неполярных молекул.

Механизм поляризации диэлектриков, состоящих из неполярных частиц, называется электронным или деформационным. Результат этой поляризации такой же, как и в случае ориентационной поляризации полярных диэлектриков. Поскольку индуцированные диполи ориентированы вдоль поля, на поверхности диэлектрика опять-таки появляются поляризационные заряды, поле которых частично компенсирует внешнее поле.

Существует еще один механизм поляризации диэлектриков, который называется ионной поляризацией. Ионная поляризация наблюдается в твердых ионных кристаллах. Кристаллическая решетка таких кристаллов состоит из подрешетки положительных ионов и подрешетки отрицательных ионов, «вставленных» одна в другую. Под действием электрического поля, к примеру, в кристалле NaCl, подрешетка ионов Na⁺ будет смещаться по полю, а подрешетка ионов Cl^ против поля, и на поверхности кристалла появятся поляризационные заряды.

Явление уменьшения напряженности электрического поля в диэлектриках было экспериментально исследовано Фарадеем еще в середине 19 века. Понятно, что полностью объяснить это явление удалось гораздо позднее. Для этого потребовались знания о строении вещества, строении атомов и молекул.