Ориентационная поляризация

Краткие теоретические сведения

Диэлектриками называют материалы, в которых нет свободных электрических зарядов, поэтому они не могут проводить электрический ток. К диэлектрикам относятся воздух, слюда, фарфор, сухое дерево, дистиллированная вода и т.д. При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле (рис.2.1) происходит поляризация, т. е. смещение зарядов, входящих в состав молекул, в соответствии с их знаком (положительные заряды смещаются в направлении вектора электрического поля, отрицательные – в противоположном). В результате на поверхности диэлектрика возникают связанные заряды, неспособные свободно перемещаться по диэлектрику. Вектор напряженности электрического поля , создаваемого связанными зарядами на поверхности диэлектрика, направлен внутрь диэлектрика противоположно вектору напряженности внешнего поля , вызывающего поляризацию.

Напряженность поля внутри диэлектрика, по принципу суперпозиции, равна

. (2.1)

Учитывая направления векторов и , можно записать это выражение в скалярном виде:

. (2.2)

Физическая величина, равная отношению модуля вектора напряженности однородного электрического поля в вакууме к модулю вектора напряженности электрического поля в диэлектрике , называется диэлектрической проницаемостью вещества e :

. (2.3)

К примеру, для стекла e = 5, для слюды e = 3, для воды e = 81 и т.д. Таким образом, значение диэлектрической проницаемости среды показывает, во сколько раз в данной среде ослабляется внешнее поле.

Виды поляризации диэлектриков

Электронная поляризация

Многие диэлектрики (H₂, O₂, N₂ и др.). состоят из неполярных атомов или молекул. Внутримолекулярные заряды в них расположены таким образом, что «центр тяжести» положительного ядра совпадает с «центром тяжести» отрицательного заряда электронной оболочки. В электрическом поле происходит смещение «центров тяжести» электрических зарядов в противоположные стороны, т. е. атом (молекула) становится подобным электрическому диполю. Вокруг такой молекулы будет существовать электрическое поле, совпадающее с полем диполя, отрицательный заряд которого равен суммарному заряду электронных оболочек, а положительный заряд – суммарному положительному заряду ядер, входящих в состав молекулы. Рассмотренный механизм электронной поляризации является универсальным, поскольку смещение электронных оболочек происходит в атомах, молекулах или ионах любого диэлектрика.

Ионная поляризация

Кристаллические решетки многих ионных диэлектриков типа NaCl, KCl и т. д. можно рассматривать как состоящие из двух подрешеток, каждая их которых образована ионами одного знака, вставленных одна в другую. В отсутствие внешнего электрического поля каждая элементарная ячейка и кристалл в целом нейтральны и неполярны. Во внешнем поле происходит смещение ионов подрешеток в противоположных направлениях. Вследствие этого на противоположных гранях кристалла будут преобладать заряды разного знака, т.е. кристалл поляризуется. Такой механизм поляризации называют ионным.

Ориентационная поляризация

Многие диэлектрики (H₂O, H₂S, NO₂) образованы из молекул, каждая из которых является электрическим диполем в отсутствие электрического поля. Такие диэлектрики называются полярными. При отсутствии внешнего поля молекулярные диполи вследствие теплового движения расположены хаотично. При наложении внешнего электрического поля на каждый диполь действуют силы, стремящиеся ориентировать его параллельно полю. Поэтому возникает частичная упорядоченность в расположении диполей. Эта упорядоченность тем больше, чем сильнее внешнее поле и чем ниже температура. В итоге сумма дипольных моментов всех молекул не равна нулю, т.е. диэлектрик приобретает электрический момент. Такой тип поля­ризации называют ориентационной или дипольной поляризацией.

Вектор поляризации

Для количественной характеристики поляризации используется физическая величина, называемая вектором поляризации . Он равен дипольному моменту единицы объёма диэлектрика:

где – дипольный электрический момент молекулы (вектор направлен от отрицательного заряда к положительному), V – объём образца, N – число диполей в объеме V.

Вектор , как показывает опыт, в однородных диэлектриках и в слабых полях пропорционален электрическому полю , т.е.

,

где c - диэлектрическая восприимчивость данного вещества, k > 0 Связь диэлектрической восприимчивости с диэлектрической проницаемостью среды выражается формулой: e = 1+ c.