Диэлектрики. Поляризация диэлектриков. Объемные и поверхностные связанные заряды. Поле в диэлектрике

Диэлектриками называ­ют вещества, практически не проводящие электрического тока. В диэлектриках нет зарядов, способных перемещаться на значитель­ные расстояния, создавая ток. При внесении даже нейтрального диэлектрика во внешнее электрическое поле обнаруживаются существенные изменения как в поле, так и в самом диэлектрике; на диэлектрик начинает действовать сила, уве­личивается емкость конденсатора при заполнении его диэлект­риком и др. Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул, либо из заряженных ионов, находящихся в узлах кристалличе­ской решетки. Сами же молекулы могут быть полярными и неполярными. По­лярные молекулы обладают собственным дипольным момен­том р, неполярные – нет.

Поляризация. Под действием внешнего электрического поля происходит поляризация диэлектрика: Если диэлектрик состоит из неполярных моле­кул, то в пределах каждой молекулы происходит смещение за­рядов — положительных по полю, отрицательных против поля. Если же диэлектрик состоит из полярных молекул, то при от­сутствии внешнего поля их дипольные моменты ориентированы совершенно хаотически из-за теплового движения. Под действием же внешнего поля дипольные моменты ориентируются преимущественно в направлении внешнего поля. В диэлектрических кристаллах типа NaCl при включении внешнего поля все положительные ионы смещаются по полю, отрицательные — против поля.Т. о., механизм поляризации связан с конкретным строением диэлектрика. Независимо от механизма поляризации в этом процессе все положительные заряды смещаются по полю, а отрицательные — против поля. Смещения зарядов в обычных условиях весьма малы даже по сравнению с размерами молекул, это связано с тем, что напряженность внешнего поля, действующего на диэлектрик, значительно меньше на­пряженности внутренних электрических полей в молекулах.

Объемные и поверхностные связанные заряды. В результате поляризации на поверхности диэлектрика, а также в его объеме появляются не скомпенсированные заряды. Обратимся к следующей модели. Пусть имеется пластина из нейтрального неоднородного диэлектрика, у которого плотность как-то увеличивается с ростом координаты x. Обозначим r '₊ и r'_ — модулиобъемной плотности положительного и отрицательного зарядов в веществе. При отсутствии внешнего поля в каждой точке диэлектрика r'₊ =r'_, ибо диэлектрик электрически нейтрален, но в силу не­однородности диэлектрика как r'₊, так и r'_ увеличиваются с ростом x. Если внеш­него поля нет, то оба распределения в точности накладываются друг на друга. Включение внешнего поля Е приведет к смещению положи­тельных зарядов по полю, отрицательных — против поля, и оба распределения сдвинутся относительно друг друга. В итоге появятся не скомпенсированные заряды на поверхности диэлектрика и в его объеме (на нашем рисунке в объеме поя­вился отрицательный не скомпенсированный заряд). Заметим, что изменение направления поля на обратное приведет к изме­нению знака всех этих зарядов. Нетрудно также видеть, что в случае пластины из однородного диэлектрика каждое распреде­ление r'₊(х) и r'_(х) имело бы П-образную форму, и при их отно­сительном смещении в поле Е возникли бы только поверхност­ные не скомпенсированные заряды. Не скомпенсированные заряды, появляющиеся в результате поляризации диэлектрика, называют поляризационными или связанными. Сво­бода перемещения таких зарядов ограничена. Они могут сме­щаться лишь внутри электрически нейтральных молекул.

Заряды, которые не входят в состав молекул диэлектрика, называют сторонними.

Поле в диэлектрике. Это величина, являющаяся суперпозицией поля Е₀ сторонних зарядов и поля Е' связанных зарядов: Е = Е₀ + Е', (3.1) где Е₀ и Е' представляют собой макрополя, т. е. усредненные по физически бесконечно малому объему микрополя соответствен­на сторонних и связанных зарядов. Определенное та­ким образом поле Е в диэлектрике является также макрополем.