§1.5. Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектрики – вещества, которые не проводят электрический ток, хотя пробой диэлектрика возможен.

Существуют три группы диэлектриков.

1. Диэлектрики, состоящие из неполярных молекул;

2. Диэлектрики, состоящие из полярных молекул;

3. Диэлектрики, молекулы которых имеют ионное строение.

1) Неполярные молекулы (изолированные атомы, молекулы с центральной симметрией – Н₂, О₂, N₂), у которых центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают и, следовательно, дипольный момент =0.

2) Полярные молекулы (вода, аммиак, спирты, эфир, ацетон и др.), которые имеют асимметричное строение: у них центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов не совпадают и из-за этого они обладают собственным дипольным моментом.

3) Диэлектрики с ионным строением имеют кристаллическую структуру с ионной решеткой, где каждая пара соседних разноименных ионов подобна диполю.

Под воздействием внешнего электронного поля в диэлектриках индуцируются связанные или поляризационные разноименные заряды, причем

|-q|=|+q|.

Процесс смещения положительных и отрицательных зарядов в диэлектрике называется поляризацией, степень которой характеризуется вектором поляризации , равным дипольному моменту единицы объема поляризованного диэлектрика.

Модуль вектора – называют также удельной поляризацией.

, где - дипольный момент i -й частицы, а V- объем диэлектрика.

Единица измерения [Р] – кулон на квадратный метр (Кл∙м^-2).

У неполярных молекул происходит смещение центр масс положительных (ядро) и отрицательных (электронные оболочки) зарядов – образуется индуцированный диполь. Это деформационная (электронная) поляризация, которая зависит от свойств диэлектрика и от , но не зависит от температуры Т.

У полярных молекул происходит ориентация собственных жестких диполей (дипольная или ориентационная поляризация): она зависит от , Т, и частоты переменного тока (диполь не успевает ориентироваться). У этих типов диэлектриков вклад деформационной поляризации весьма мал.

Когда =0, тепловое движение нарушает ориентацию диполей, перемешает все диполи и эти диэлектрик обычно становится неполяризованным. Однако существуют вещества (сегнетоэлектрики, например, сегнетова соль -Na KC₄ H₄ O₆ 4H₂O, титанат бария – Ba Ti O₃), у которых после снятия внешнего эл. поля сохраняется остаточная поляризация, т. к. у них роль диполей играют микроскопически объемы (~10^-3см) самопроизвольной поляризации (домены), дезориентация которых требует достаточно высокой температуры (так называемая температура или точка Кюри).

И онная поляризация наблюдается у ионных кристаллов, у которых подрешетки, образуемые положительными и отрицательными ионами, сдвигаются, образуя, подобно диполям, связанные заряды. Под воздействием внесшего электрического поля эти диполи деформируются: удлиняются, если их оси направлены по полю, и укорачиваются, если оси направлены против поля. Степень такой поляризации зависит от свойства диэлектрика и от .

Некоторые кристаллы – пьезоэлектрики (кварц, турмалин и др.) поляризуются при механической деформации, т. к. их подрешетки обладают различной упругостью и пи сжатии или растяжении кристалла они смещаются друг относительно друг (пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэффект: во внешнем электрическом поле пьезоэлектрик изменяет свои линейные размеры в направлении поля (может по разным ребрам по разному). Пьезоэффект используется для преобразования электрических сигналов в механические и наоборот (датчики пульса, вибрации, микрофоны, телефоны, ультразвуковые излучатели).

Ослабление поля в диэлектрике обусловленное поляризацией вещества; происходит благодаря появлению на поверхности диэлектрика связанных зарядов, которые уменьшают .

Свойства диэлектрика поляризоваться в электрическом поле характеризуется величиной:

ε – относительная диэлектрическая проницаемость, которая показывает насколько раз напряженность электрического поля в вакууме Е₀ больше напряженности эл. поля Е в однородной, изотропной диэлектрической среде при создающих поле неизменных зарядах.

ε – определяется только свойствами среды, в то время как ε₀ –зависит только от выбора системы единиц.

Диэлектрическая проницаемость всех газов близка к единице. У большинства неполярных диэлектрических жидкостей ε лежит в пределах от 2 до 2,5, у твердых диэлектриков – от 2,5 до 8, у полярных жидкостей – от 10 до 81. У сегнетоэлектриков ε достигает очень больших значений – порядка 10⁴, и, кроме того, существенно зависит от напряженности внешнего поля. Для вакуума ε=1, а для проводника ε=∞.

ε₀ ^. ε = ε_абс , где ε_абс –абсолютная диэлектрическая проницаемость, зависящий и от свойств среды, и от выбора системы единиц.

М одуль вектора поляризации Р ~ E и .

где α – коэффициент называемый электрической восприимчивостью или поляризуемостью диэлектрика. Он зависит от природы диэлектрика.

Связь между диэлектрической проницаемостью ε и α:

ε =1 + α

отсюда α = 1 – ε, тогда

Р = ε ε₀Е – ε₀Е

Для вакуума ε=1, Р = 0.

Чтобы применять электростатические формулы к неоднородной диэлектрической среде, где на границах разных диэлектриков происходит скачки ε и разрыв непрерывности (например, силовых линий), вводится новая физическая характеристика электрического поля: вектор электрического смещения или вектор электрической индукции (электрическая индукция).

для вакуума

Размерность [D]=[ε₀]^.[E]=м^-2.с ^.А, а единицы измерения - Кулон на квадрат метр.

В средах с разными диэлектриками остается непрерывным, поэтому целесообразно здесь тоже ввести понятия силовых линии и потока индукции N_D, вместо аналогичных величин для .

Электрическая индукция;

Tочечного заряда → ,

Диполя → D~1/r³,

Бесконечной прямолинейной

равномерно заряженной нити → D=ρ/(4πr),

Бесконечно равномерно

заряженной плоскости → D=σ/2,

Между двумя бесконечно параллельными

разноименно заряженными плоскостями → D=σ

Теорема Остроградского – Гаусса для потока индукции N_D в неоднородной диэлектрической среды .