Діелектрики у зовнішньому електричному полі

Діелектрики. Поляризація діелектриків

  При внесенні діелектрика в зовнішнє електричне поле Е₀ в ньому виникає перерозподіл зарядів, які входять до складу атомів або молекул. В результаті такого перерозподілу на поверхні діелектричного зразка появляються надлишкові нескомпенсовані зв’язані заряди. Всі заряджені частинки, які утворюють макроскопічні зв’язані заряди, як і раніше входять до складу своїх атомів.

Звязані заряди створюють електричне поле Е’ яке всередині діелектрика направлено противополежно вектору напруженості Е₀  зовнішнього поля. Цей процес називають поляризацією діелектрика. В результаті повне електричне поле 

Е = Е₀ + Е’  

всередині діелектрика виявляється по модулю меншим зовнішнього поля. 

Фізична величина, яка дорівнює відношенню модуля напруженості Е₀ зовнішнього електричного поля в вакуумі до модуля напруженості Е повного поля в однорідному діелектрику, називають діелектричною проникністю речовини. 

ε = Е₀/Е

Існує декілька механізмів поляризації діелектриків. Основними з них є орієнтаційна і електронна поляризації. Ці механізми проявляються зазвичай при поляризації газоподібних, рідинних і деяких твердотільних діелектриків.

Орієнтацій на або  дипольна поляризація виникає в випадку полярних діелектриків, які складаються з молекул, у яких центри розподілу додатних і від’ємних зарядів не співпадають. Такі молекули є мікроскопічними електричними диполями – нейтральну сукупність двох зарядів, рівних по модулю і протилежних по знаку, розташованих на деякій віддалі один від одного. Дипольним моментом володіє, наприклад, молекула води, а також молекули інших діелектриків (H₂S, NO₂  тощо).

За відсутності зовнішнього електричного поля осі молекулярних диполів орієнтовані хаотично завдяки тепловому руху, так що на поверхні діелектрика  в будь-якому елементі об’єму електричний заряд в середньому дорівнює нулеві.

 

Мал. 1 Орієнтаційний механізм поляризації діелектрика

Під час внесення діелектрика в зовнішнє поле Е₀  виникає часткова орієнтація молекулярних диполів. В результаті на поверхні діелектрика з’являються нескомпенсовані макроскопічні зв’язані заряди, які створюють поле Е’ направлене назустріч  зовнішньому полю  (мал. 1).

Поляризація полярних діелектриків сильно залежить від температури, оскільки тепловий рух молекул відіграє роль дезорієнтуючого чинника.

Електроний або пружний механізм проявляється при поляризації неполярних діелектриків, молекули яких не мають за  відсутності зовнішнього поля дипольного моменту. Під дією зовнішнього електричного поля молекули неполярних діелектриків деформуються – додатні заряди зміщаються в напрямі вектора Е₀  а від’ємні – в протилежному напрямі. В результаті кожна молекула стає електричним диполем, вісь якого направлена вздовж зовнішнього поля. На поверхні діелектрика появляються нескомпенсовані звязані заряди, які створюють своє поле Е’ направлене назустріч зовнішньому полю.  Так поляризуються неполярні діелектрики (мал. 2).

Мал. 2 Поляризація неполярного діелектрика

Електричне поле Е’ зв’язаних зарядів, яке виникає при поляризації полярних і неполярних діелектриків, змінюється по модулю прямо пропорційно модулю зовнішнього поля Е₀.  В дуже сильних електричних полях ця залежність може порушуватись, і тоді проявляються різні нелінійні ефекти. В випадку полярних діелектриків в сильних полях може спостерігатись ефект насичення, коли всі молекулярні диполі орієнтуються вздовж силових ліній. В випадку неполярних діелектриків сильне зовнішнє поле, співмірне з внутріатомним полем, може суттєво деформувати атоми або молекули речовини і змінювати їхні електричні властивості. Однак, ці явища зазвичай не спостерігаються, так як для цього потрібні поля з напруженістю (1010–1012) В/м,  а вже при менших полях настає електричний пробій діелектрика. 

 

Мал. 3 Електринна поляризація діелектрика

В багатьох неполярних молекулах при поляризації деформуються електронні оболонки, тому цей механізм називають електронною поляризацією. Цей механізм (мал. 3) є універсальним, оскільки деформація електронних оболонок під дією зовнішнього поля відбувається в атомах, молекулах та  іонах будь-якого діелектрика.

В випадку твердих кристалічних діелектриків спостерігається так звана іона поляризація, за якої іони різних знаків, які утворюють кристалічну гратку, при накладанні зовнішнього поля зміщаються в протилежні напрями, внаслідок чого на гранях кристала появляються зв’язані заряди. Прикладом такого механізму може слугувати поляризація кристала NaCl, в якому іони Na+ і Cl– утворюють дві підгратки, вкладені одна в одну. 

При поляризації неоднорідного діелектрика зв’язані заряди можуть виникати не тільки на поверхні, але і в об’ємі діелектрика. В цьому випадку електричне поле Е’ зв’язаних зарядів і повне поле Е можуть мати складну структуру, яка залежить від геометрії діелектрика. Твердження  про те, що електричне поле в діелектрику в ε раз менше в порівнянні з зовнішнім полем  справедливе лише в випадку однорідного діелектрика, який заповнює увесь простір, в якому створено зовнішнє поле. 

Зокрема:

якщо в однорідному діелектрику з діелектричною проникністю ε знаходиться точковий заряд Q, то напруженість поля Е,  створеного цим зарядом в деякій точці, і потенціал φ в ε раз менші, ніж у вакуумі:

При поляризації Напруженість електричного поля в діелектрику
  

Е = Ео/ε.

Очевидно , що напруженості електричного поля в різних діелектриках, вміщених в одне і те ж саме зовнішнє поле будуть різними. Зрозуміло, що при графічному зображенні поля лінії вектора напруженості на межах середовищ будуть розриватись. Для усунення цього недоліку введено вектор електричного зміщення (електростатичної індукції)

D = εεоЕ.

Між фізичними величинами, що характеризують електричне поле в діелектриках (D та Е) і властивості діелектрика ( Р - вектор  поляризації)  існує звязок:

D = εоЕ + Р

Доцільно прочитати:

• 1. Електростатична система одиниць.
• 2.СІ - міжнародна система одиниць.
• 3. Провідники в електричному полі.
• 4. Робота та потенціал в електриці.
• 5. Теорема Гауса.
• 6. Електричне поле.
• 7. Закон Кулона. Електричний заряд.