Поляризация диэлектриков

При внесении вещества в электрическое поле происходят изменения, как в веществе, так и в электрическом поле. Простые опыты показывают, что на поверхности диэлектрика, внесенного в электрическое поле, возникают положительные и отрицательные заряды, которые не могут быть разделены никакими способами. В связи с этим такие заряды называются связанными, а диэлектрик – поляризованным. Для объяснения явления поляризации диэлектриков обратимся к общепринятой сейчас модели строения диэлектриков.

Диэлектрики, молекулы которых представляют собой электрические диполи, называют полярными диэлектриками. Типичными представителями таких веществ являются вода, аммиак, эфир, ацетон. Наряду с полярными диэлектриками существуют неполярные, молекулы которых не являются диполями, например, Н₂, N₂ , углеводороды и т.д.

В отсутствие электрического поля дипольные моменты молекул либо равны нулю, либо ориентированы хаотически. В обоих случаях суммарный дипольный момент диэлектрика равен нулю. В неполярном диэлектрике, помещенном в электрическое поле, у молекулы возникают дипольные моменты, пропорциональные напряженности поля , где b - поляризуемость молекул, зависящая от строения и сил межатомных связей, которые всегда ориентированы вдоль линий поля, несмотря на тепловое движение.

В результате поляризации молекул на поверхности диэлектрика появляются связанные заряды (рисунок 22).

Рисунок 22 Рисунок 23 Рисунок 24

В полярных диэлектриках под действием электрического поля происходит ориентация дипольных моментов вдоль направления поля, так как на диполь, электрический момент которого равен , в однородном электрическом поле действует пара сил (рисунок 23) . Вращающий момент этой пары сил равен , или в векторном виде .

Под действием вращающего момента диполь стремится к ориентации вдоль силовых линий. Ориентирующему действию внешнего поля препятствует тепловое движение молекул, стремящееся разбросать их дипольные моменты по всем направлениям. В результате действия двух факторов: электрического поля и теплового движения в диэлектрике устанавливается некоторая преимущественная ориентация дипольных моментов молекул в направлении поля, что и обусловливает поляризацию диэлектрика (рисунок24).

Мерой поляризации диэлектрика является вектор поляризации, равный векторной сумме дипольных моментов молекул единицы объема вещества

или другими словами, если дипольный момент молекул диэлектрика в объеме V равен , то вектор поляризации численно равен

. (19)

Опытным путем установлено, что вектор поляризации диэлектрика пропорционален напряженности результирующего поля

(20)

где c -диэлектрическая восприимчивость вещества.

Найдем связь между вектором поляризации и наблюдаемой на опыте поверхностной плотностью связанных зарядов s. Для этого выберем диэлектрик в форме параллелепипеда и поместим его в электрическое поле (рисунок 25).

Дипольный момент этого диэлектрика равен . (21)

Рисунок 25

С другой стороны, согласно определению (21), дипольный момент равен произведению вектора поляризации на объем параллелепипеда

. (22)

Приравнивая правые части выражений (21) и (22), получим

; ; . (23)

Таким образом, нормальная составляющая вектора поляризации (проекция на нормаль к основанию параллелепипеда) численно равна поверхностной плотности связанных зарядов, то есть поверхностная плотность связанных зарядов может служить мерой поляризации диэлектрика.

Для характеристики электрического поля в среде вводится вектор электрического смещения или электрической индукции

,

где e₀= 8,85.10^-12 Ф/м – электрическая постоянная,

e - диэлектрическая проницаемость среды.

Таким образом, вектор электрического смещения пропорционален вектору напряженности .

Для поля точечного заряда .

Теорема Гаусса для вектора электрического смещения имеет вид

Поток вектора электрического смещения через замкнутую поверхность, охватывающую заряды, равен алгебраической сумме зарядов внутри поверхности.

Относительная диэлектрическая проницаемость e является важной характеристикой диэлектрика. Выясним физический смысл e. Предположим, что поле в вакууме создается точечным зарядом Q, тогда в точке, удаленной от заряда на расстояние r напряженность

. (24)

Если же заряд находится в среде с относительной диэлектрической проницаемостью e, то в этой точке напряженность

. , (25)

то есть относительная диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз напряженность поля в вакууме, созданного свободными зарядами, больше напряженности поля, созданного этими же зарядами в среде.