3. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков.
Термин «диэлектрик» (от греч. dia – через и англ. еlectric – электрический) введен М. Фарадеем для обозначения сред, через которые проникает электростатическое поля (в отличие от металлов, экранирующих электростатическое поле).
Диэлектрик, как и всякое вещество, состоит из атомов и молекул. Атомы и молекулы, в свою очередь, состоят из положительных и отрицательных зарядов (атомных ядер и электронов), так что всякий диэлектрик представляет собой собрание большого количества заряженных частиц.
В молекулах эти заряды расположены часто несимметрично, так что одна половина молекулы имеет по преимуществу положительный заряд, а другая – отрицательный. Такая молекула имеет вид диполя. Количество положительного и отрицательного заряда в каждой молекуле одинаково и поэтому любая молекула в целом не заряжена. Однако, как только такая молекула оказывается помещенной во внешнее электрическое поле, на нее будет действовать сила, стремящиеся повернуть молекулу по направлению линий поля.
В естественном состоянии, т.е. в отсутствии внешнего поля, молекулы вещества ориентированы совершенно хаотично. В любой части диэлектрика будет находиться одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов в хаотичном расположении и поэтому результирующее действие этих зарядов будет равно нулю. Под действием сил поля, стремящихся повернуть диполи, молекулы поворачиваются так, чтобы их электрические оси установились по возможности по линиям поля. С другой стороны, тепловое движение молекул стремиться все время расстроить эту упорядоченность и восстановить хаотическое, беспорядочное расположение. Борьба между этими противоположно направленными факторами, из которых первый зависит от напряженности поля и индивидуальных свойств данного вещества, а второй определяется температурой, приводит к тому, что в поле данной напряженности не все, а лишь большая или меньшая часть молекул располагается своими осями близко к направлению поля (рис. 5).
а
б
в
Рис.5 – Схема поляризации диэлектрика
а) диэлектрик в отсутствии электрического поля;
б) диэлектрик, помещенный в слабое электрическое поле;
в) тот же диэлектрик, находящийся в сильном электрическом поле.
По различию в строении молекул диэлектрики подразделяют на три группы.
Первую группы диэлектриков (N2, H2, O2, CO2, CH4,…) составляют вещества, молекулы которых имеют симметричное строение, в отсутствии внешнего электрического поля дипольный момент такой молекулы равен нулю. Молекулы таких диэлектриков называются неполярными. Под действием внешнего электрического поля заряды неполярных молекул смещаются в противоположные стороны (положительные по полю, отрицательные против поля) и молекула приобретает дипольный момент.
Вторую группу диэлектриков (Н2О, NH3, SO2, CO, …) составляют вещества, молекулы которых имеют асимметричное строение. Эти молекулы в отсутствии внешнего электрического поля обладают дипольным моментом, но ориентированы они хаотично. Молекулы таких диэлектриков называются полярными. Во внешнем электрическом поле диполи поворачиваются.
Третью группу диэлектриков (NaCl, KCl, KBr…) составляют вещества, молекулы которых имеют ионное строение. Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков. В этих кристаллах нельзя выделить отдельные молекулы, а рассматривать их можно как систему двух вдвинутых одна в другую ионных подрешеток. При наложении на ионный кристалл электрического поля происходит некоторая деформация кристаллической решетки или относительное смещение подрешеток, приводящее к возникновению дипольных моментов.
Таким образом, внесение любого диэлектрики во внешнее электрическое поле приводит к возникновению отличного от нуля результирующего электрического момента диэлектрика, или, иными словами, к поляризации диэлектрика. Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появление под воздействием внешнего электрического поля ориентированных по полю диполей.
Соответственно трем группам диэлектриков различают три вида поляризации:
Электронная поляризация, характерна для диэлектриков с неполярными молекулами, заключается в возникновении у атомов, индуцированных дипольных моментов за счет деформации электронных орбит.
Ориентационная поляризация, возникает в диэлектриках с полярными молекулами, заключается в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул по полю. Эта ориентация тем сильнее, чем больше напряженность электрического поля и ниже температура.
Ионная поляризация диэлектриков с ионными кристаллическими решетками, заключающаяся в смещении подрешеток положительных ионов вдоль поля, а отрицательных – против поля, приводящем к возникновению дипольных моментов.