Електричне поле в діелектриках

 2.1. Діелектрики. Полярні та неполярні молекули. Поляризація діелектриків

Діелектрики – речовини, в яких концентрація вільних носіїв електричного струму (зарядів) дуже мала, а тому вони в ідеальному випадку не проводять електричний струм, а практично проводять дуже слабко. В діелектриках довго зберігається стале електричне поле. Вільними називають заряди, які під впливом електричного поля можуть переміщатись на макроскопічні відстані (більші за розміри атомів чи молекул).

Діелектрики складаються з нейтральних атомів і молекул, позитивний заряд яких зосереджений у ядрах, а негативний – в електронних шарах. Ці заряди розміщені в різних точках простору і внаслідок безперервного руху їхнє розміщення постійно змінюється. Діелектрики – це електрично нейтральні системи, коли сумарний позитивний і негативний заряди довільного об’єму речовини однакові. Такими є гази (крім плазмового стану), рідини (крім електролітів і рідких металів) та деякі тверді речовини і матеріали, які не належать до напівпровідників або металів.

Для відстаней, великих в порівнянні з розмірами молекул, дія електронів еквівалентна дії їх сумарного заряду, зосередженого в деякий точці молекули, яку називають «центром ваги» зарядів, радіус – вектор  якого визначається формулою:

.                                 (2.1)

Аналогічно дія протонів еквівалентна дії їх сумарного заряду, внесеного в «центр ваги» позитивних зарядів, радіус – вектор  якого визначається за формулою:

.                                (2.2)

У формулах (2.1) та (2.2)  - радіус – вектор точки, в якій знаходиться заряд q_i. Ці заряди є зв’язаними зі своїми атомами чи молекулами.

Якщо за відсутності зовнішнього електричного поля «центри ваги» сумарного негативного та сумарного позитивного зарядів молекули не збігаються, молекулу називають полярною, якщо збігаються - неполярною. Електричний момент неполярних молекул дорівнює нулеві.

На підставі формул (2.1), (2.2) та рис. 2.1. знаходимо рівняння для електричного моменту  полярної молекули:

.

Приймаючи єдину нумерацію для позитивних та негативних зарядів, отримуємо:

.                          (2.3)

Під дією електричного поля з напруженістю  заряди в неполярній молекулі зміщуються, молекула стає полярною, набуваючи електричного моменту:

                                        ,                                                 (2.4)

де b - поляризованість молекули. Вона має розмірність об’єму. В СІ [b]=м³.

За відсутності зовнішнього електричного поля дипольні електричні моменти молекул або дорівнюють нулеві (неполярні молекули), або розподілені за напрямом хаотично (полярні молекули). В обох випадках сумарний електричний момент дорівнює нулеві.

В зовнішньому електричному полі неполярні молекули стають полярними, тобто являють собою диполі з електричним моментом (див. 2.4). На будь-який диполь в зовнішньому електричному полі діє обертальний момент  (див. (1.33), (1.34)). Сумарне електричне поле з напруженістю  орієнтує диполі певним чином (рис. 2.2), внаслідок чого сумарний електричний момент всього об’єму діелектрика не дорівнює нулеві. Кажуть що діелектрик поляризується.

В якості величини, що характеризує ступінь поляризації діелектрика, приймається електричний момент одиниці об’єму діелектрика. Якщо поле чи діелектрик (або і поле і діелектрик) неоднорідні, то ступінь поляризації в різних точках об’єму буде неоднаковою. Поляризація в вибраній точці об’єму буде в такому випадку дорівнювати сумі моментів молекул, що знаходяться в дуже малому об’ємі D V, який охоплює цю точку, віднесеній до цього об’єму:

.                                              (2.5)

Величину , що визначається рівнянням (2.5), називають вектором поляризації або поляризуємістю діелектрика. Розмірність . В системі СІ одиницею виміру P є Кл/м².

Для ізотропних діелектриків всіх типів виконується співвідношення:

,                                              (2.6)

де  - діелектрична сприйнятливість діелектрика.

Якщо молекули неполярні, то, згідно з (2.4),  і , де n – число молекул в одиниці об’єму.

Взагалі відрізняють такі види поляризації:

1) Пружна поляризація електронного чи іонного зміщення. В зовнішньому полі неполярні молекули стають полярними і їх електричні моменти орієнтуються полем. Іонні кристали можна розглядати як речовини, що складаються з двох підрешіток (позитивної і негативної), вставлених одна в іншу. Під дією поля ці підрешітки зміщуються одна відносно іншої, діелектрик поляризується. Неполярні молекули і іонні кристали можна в електричному полі розглядати як пружні диполі.

2) Дипольна поляризація – орієнтація дипольних моментів полярних молекул силами зовнішнього поля. Полярні молекули можна розглядати в зовнішньому полі як жорсткі диполі.

3) Спонтанна (довільна) поляризація, що спостерігається для речовин з доменною структурою (рис. 2.3). Домени – це мікрообласті матеріалу, в яких електричні моменти самочинно, внаслідок обмінної взаємодії електронами між молекулами, орієнтуються майже паралельно один одному. За відсутності поля моменти доменів орієнтуються хаотично (рис. 2.3,а), а за наявності електричного поля їх орієнтація упорядковується (рис. 2.3,б). Спонтанна поляризація притаманна кристалічним речовинам.

4) Об’ємно – зарядна поляризація – зміщення слабко зв’язаних зарядів під дією сил поля.