Диэлектрики в электростатическом поле

Диэлектрики - это вещества, состоящие из электрически нейтральных молекул, т.е. в них нет свободных электрических зарядов. Но связанных заряженных частиц (входящих в состав молекул и участвующих в образовании межмолекулярных связей) в диэлектриках не меньше, чем в проводниках.

До внесения диэлектрика в эл. поле, геометрические центры  и Ө зарядов совпадают и их поля (для внешнего наблюдателя) взаимно компенсируются. При помещении диэлектрика во внешнее эл. поле , оно проникает внутрь материала и вызывает в каждой молекуле смещение  и Ө заряженных частиц в противоположных направлениях. Это явление называют поляризацией (молекул) диэлектрика. Как и в проводниках, смещение зарядов в диэлектрике под действием  проявляется в виде появления на поверхности тела некомпенсированных зарядов. Однако поляризация диэлектриков существенно отличается от явления электростатической индукции зарядов в проводниках. В отличие от проводника, в диэлектрике поляризационные заряды возникают не только на поверхности, но и во всём объёме. Разрезав в электрическом поле проводник на две части, можно отделить разноимённые заряды и, напротив, “разделить” поляризационные заряды диэлектрика невозможно. Кроме того, в отличие от проводника, электрическое поле внутри диэлектрика не обращается в нуль.

В силу принципа суперпозиции электрических полей: 1) микрополя отдельных поляризованных внешним полем молекул диэлектрика складываются и создают внутри него макроскопическое поле , направленное противоположно ; 2) поля  и  складываются, образуя результирующее поле: =  +  Þ = -

В случае, если окружающей средой является вакуум, то обычно обозначают = . Величину  называют диэлектрической проницаемостью среды, которая показывает, во сколько раз напряжённость эл. поля в данной среде меньше, чем в вакууме. Поэтому закон Кулона для взаимодействующих в среде (а не в вакууме) зарядов, имеет вид: , т.е. в среде сила кулоновского взаимодействия зарядов ослабляется в e раз. Например, для газов e =1,0001-1,01, для жидкостей 2,0-2,5, для твёрдых сред 2,5-8,0, для полярных диэлектриков 10-100, для сегнетоэлектриков 10²-10⁴, для металлов e®¥.

В зависимости от вида химической связи молекул диэлектрика (ковалентной, полярной или ионной), его поляризация протекает по-разному:

1) электронная поляризация, характерна для неполярных диэлектриков. До наложения  геометрические центры  и Ө зарядов, распределённых внутри молекулы, совпадают. Под действием центры  и Ө зарядов смещаются относительно друг друга, превращая молекулу в ориентированный по  диполь. В результате, торцы диэлектрического тела приобретают разноимённые заряды.

2) дипольная поляризация, характерна для полярных диэлектриков (вода, ацетон, аммиак). У таких диэлектриков молекулы всегда (и при = 0) несимметричны в электрическом отношении, т.е. являются дипольными. Вследствие теплового движения молекулы расположены хаотично, поэтому диэлектрик в целом оказывается неполяризованным. Под влиянием  все дипольные молекулы поворачиваются вдоль , в результате диэлектрик поляризуется. Степень поляризации зависит от свойств диэлектрика, напряжённости поля  и температуры. При снятии  исчезает и поляризация диэлектрика, так как тепловое движение сразу разрушает ориентацию молекул.

К классу полярных диэлектриков относят сегнетоэлектрики (титанат бария BaTiO₃, сегнетову соль NaKC₄H₄O₆+4H₂O, фосфат алюминия AlPO₄), у которых значительная поляризация сохраняется и после исчезновения . Это объясняется тем, что в сегнетоэлектриках имеются области самопроизвольной поляризации (домены)- микроскопические объёмы, в которых дипольные молекулы в ходе формирования вещества приобрели одинаковую ориентацию. Поле поворачивает в сегнетоэлектрике не отдельные полярные молекулы, а целые полярные микрообъёмы. После удаления  тепловое движение сможет дезориентировать такие объёмы только при высокой температуре. В противном случае, сегнетоэлектрик остаётся поляризованным, и после исчезновения поля.

3) ионная поляризация, характерна для ионных кристаллов (например, каменная соль), образованных как бы вложенными друг в друга  и Ө ионными решётками. Соседние ионы обеих решёток образуют противоположно направленные диполи. При наложении  те диполи, дипольные моменты  которых направлены по , растягиваются, а диполи, у которых  направлены против , - съёживаются. Образец поляризуется.

У некоторых ионных кристаллов (кварца, турмалина) поляризация происходит не только под действием , но и в результате механических напряжений, возникающих в них. Явление возникновения электрических зарядов на поверхности деформированных кристаллов называют прямым пьезоэффектом (от греческого слова "piezō" - давлю), оно было открыто в 1880г. братьями Кюри. При деформации кристалла образующие его две ионные решётки разного знака сдвигаются относительно друг друга, приводя к образованию микроскопических электрических диполей. Размещение же пьезоэлектрика во внешнем поле , приводит к деформации кристалла (обратный пьезоэффект). Так была открыта возможность преобразования электрических колебаний в механические. Обратный пьезоэффект используют для генерации ультразвука (см. Лекция №3, 3.9.2.).

Электрическая ёмкость

Это способность тела накапливать электрический заряд. Если проводящему телу сообщить заряд , то вокруг тела образуется эл. поле, а само тело приобретает потенциал . Однако отношение , какой бы заряд мы не сообщали телу, остаётся постоянным и равным величине , называемой электрической ёмкостью этого тела. Единица измерения эл. ёмкости: [C] = 1 Ф(арад) - 1 Кл/В.

Для сферических тел: , откуда следует, что ёмкость сферы (где r – радиус сферы).

Например, шар с ёмкостью С=1 , имеет радиус = = м = км (в 10 раз больше Солнца!). Поэтому используют более мелкие единицы электрической ёмкости:  ( км) или Ф ( см).

Электрическая ёмкость плоского конденсатора: , где e - диэлектрическая проницаемость материала, заполняющего зазор величиной d между пластинами конденсатора.

При параллельном соединении N конденсаторов их общая ёмкость ; при таком соединении разность потенциалов на всех конденсаторах одинакова.

При последовательном соединении: ; при этом разность потенциалов между крайними конденсаторами равна сумме напряжений на отдельных конденсаторах: .