Какой электротехнический элемент характеризует поляризованный диэлектрик. Основные виды поляризации диэлектриков

Диэлектрики – вещества, обладающие малой электропроводностью, т.к. у них очень мало свободных заряженных частиц – электронов и ионов. Эти частицы появляются в диэлектриках только при нагреве до высоких температур.

Существуют диэлектрики газообразные (газы, воздух), жидкие (масла, жидкие органические вещества) и твердые (парафин, полиэтилен, слюда, керамика и т.п.).

Молекула диэлектрика, как и молекула любого другого вещества, электрически нейтральна. Это означает, что суммарный отрицательный заряд электронов равен суммарному положительному заряду ядер. Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул, либо из заряженных ионов, находящихся в узлах кристалличе­ской решетки.

Диэлектрики – вещества, не имеющие свободных зарядов, а потому не способные проводить постоянный электрический ток. Делятся на две группы: неполярные и полярные диэлектрики . Они различаются строением молекул.

Если у молекулы в отсутствие внешнего электрического поля центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают , то есть дипольный момент молекулы, то такие молекулы называются неполярными . К ним относятся молекулы H2, O2, N2. Неполярные диэлектрики не ведут себя как диполи .

Молекулы, у которых в отсутствие внешнего поля центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают , то есть существует дипольный момент , называются полярными . К ним относятся H2O, CO, NH, HCl, SO4 и др. Молекулы полярных диэлектриков с точки зрения электрических свойств являются диполями.

По­лярные молекулы обладают собственным дипольным момен­том р, неполярные – нет .

Третью группу диэлектриков (NaCl, KCl, КВr, ...) составляют вещества, молекулы которых имеют ионное строение . Ионные кристаллы представляют собой простра­нственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков. В этих кри­сталлах нельзя выделить отдельные молекулы, а рассматривать их можно как систему двух вдвинутых одна в другую ионных подрешеток. При наложении на ионный кристалл электрического поля происходит некоторая деформация кристаллической решетки или относительное смещение подрешеток, приводящее к возни­кновению дипольных моментов.

В электрическом поле любой диэлектрик становится полярным, т.е. способен поляризоваться под воздействием внешнего электрического поля.

ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появление под воздействием электрического поля ориентированных по полю диполей, т.е. возникновение дипольного момента в диэлектрике называется ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ.

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.

Слева изображена симметричная электронная орбита в атоме неполярного диэлектрика. При наложении внешнего поля E0 эта орбита деформируется (рис. справа): электрон смещается в сторону положительных зарядов, создающих внешнее поле. Центры положительных и отрицательных зарядов в атоме неполярного диэлектрика разойдутся в разные стороны. То есть получаем как бы диполь, но не диполь.

Если же диэлектрик состоит из полярных молекул , то при отсутствии внешнего электрического поля молекулы-диполи полярного диэлектрика, совершая хаотическое тепловое движение, ориентированы в самых разных направлениях. Электрические поля этих диполей полностью компенсируют друг друга, и результирующее поле равно нулю во всех областях диэлектрика. Но если поместить такой диэлектрик во внешнее поле E0, то оно «развернёт» диполи так, что они окажутся ориентированными вдоль линий напряжённости («минусы» диполей повернутся влево - к тем «плюсам», которые создают внешнее поле).

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 Е0, действующего на диэлектрик, значительно меньше на­пряженности внутренних электрических полей Е’ в молекулах .

Необходимо отметить две группы поляризации :

- упругая поляризация , протекающая практически мгновенно под действием электрического поля, не сопровождающаяся рассеянием (потерями) энергии в диэлектрике (выделением теплоты);

- релаксационная поляризация , нарастающая и убывающая в течение некоторого промежутка времени и сопровождающаяся рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием.

Типы поляризации :

Трём типам диэлектриков соответствуют три типа поляризации

ЭЛЕКТРОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ – возникновение дипольного момента в неполярных молекулах. Под действием поля электрон смещается в сторону положительных зарядов, создающих внешнее поле. Центры положительных и отрицательных зарядов в атоме неполярного диэлектрика разойдутся в разные стороны. Электронная поляризация обусловлена смещением электронной оболочки атома относительно ядра во внешнем поле.

ИОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ – Поляризация обусловлена смещением упруго связанных ионов. Характерна для твердых тел с ионным строением, т.е. для кристаллических диэлектриков. Всякий ионный кристалл состоит из положительных и отрицательных ионов, расположенных в узлах кристаллической решетки. При наложении напряжения в нем начинают действовать электрические силы, и ионы смещаются: положительные – в одном направлении (вдоль поля), отрицательные – в противоположном (против поля).

Электронная и ионная поляризации относятся к упругой поляризации.

ОРИЕНТАЦИОННАЯ (ДИПОЛЬНАЯ) ПОЛЯРИЗАЦИЯ – возникновение дипольного момента в диэлектрике с полярными молекулами вследствие ориентации дипольных моментов молекул по направлению поля. Тепловое движение препятствует полной ориентации молекул, но в результате совместного действия обоих факторов (электрическое поле и тепловое движение) возникает преимущественная ориентация дипольных моментов молекул по полю. Эта ориентация тем сильнее, чем больше напряженность электрического поля и ниже температура.

У полярных диэлектриков диполи существуют от природы без всякого внешнего поля, но ориентированы хаотически. Во внешнем поле диполи поворачиваются и выстраиваются вдоль линий внешнего поля, происходит поляризация, которая называется ориентационной.

Напряженность поля в диэлектрике .

В результате поляризации молекула приобретает дипольный момент, величина которого пропорциональна полю

где α – поляризуемость молекулы (характеризует «реакцию» молекулы на электрическое поле). α – характеристика 1 атома или иона.

Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε .

В качестве величины, характеризующей степень поляризации диэлектрика, принимается вектор ПОЛЯРИЗОВАННОСТИ - дипольный момент единицы объема (или плотность дипольного момента)

где χ – ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ВОСПРИМЧИВОСТЬ вещества, показывает, как диэлектрик реагирует (воспринимает) на внешнее электрическое поле.

χ – величина безразмерная; притом всегда χ > 0. Для большинства диэлектриков эта величина порядка 1, но для воды она равна 80, а для спирта – 30.

Диэлектрическая восприимчивость зависит от: химического состава и примесей, агрегатного состояния и температуры для полярных диэлектриков.

Если α – характеристика отдельной молекулы (иона), χ – характеристика всего диэлектрика, то есть характеристика вещества в целом. χ не зависит от и в слабых полях.

\Если между пластинами плоского конденсатора поместить слой диэлектрика, то в результате поляризации положительные заряды в диэлектрике сместятся по полю, а отрицательные – против поля, и на правой грани (по рисунку) возникнет избыток положительных, а на левой гране – избыток отрицательных зарядов с поверхностной плотностью +σ’ и –σ’. Эти заряды создадут внутри диэлектрической пластины однородное поле, напряженность которого по теореме Гаусса равна

Безразмерная величина называется ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ среды.

Диэлектрическая проницаемость среды - это физическая величина, показывающая, во сколько раз мо­дуль напряженности электрического поля внутри однородного ди­электрика меньше модуля напряжен­ности поля в вакууме.

Она вводится для характеристики электриче­ских свойств диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость среды показывает во сколько раз поле ослабляется диэлектриком.

Диэлектрическая проницаемость воздуха и большинства других газов в нормальных условиях близка к единице (в силу их низкой плотности). Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8. Диэлектрическая постоянная воды в статическом поле достаточно высока - около 80. Велики её значения для веществ с молекулами, обладающими большим электрическим дипольным моментом.

Электрическое смещение .

Для описания электрического поля, в частности, в диэлектрике, вводят в рассмотрение вектор электрического смещения (вектор электростатической индукции) , равный

Результирующее поле в диэлектрике описывается вектором напряженности. зависит от свойств диэлектрика (от ε). Вектором описывается электростатическое поле, создаваемое свободными зарядами. Связанные заряды, возникающие в диэлектрике, могут вызвать перераспределение свободных зарядов, создающих поле. Поэтому вектор характеризует электростатическое поле, создаваемое свободными зарядами (т.е. в вакууме), но при таком их распределении в пространстве, какое имеется при наличии диэлектрика.

Аналогично, как и поле Е, поле D изображается с помощью линий электрического смещения, направление и густота которых определяются точно так же, как и для линий напряженности.

Линии вектора Е могут начинаться и заканчиваться на любых зарядах - свободных и связанных, в то время как линии вектора D - только на свободных зарядах. Через области поля, где находятся связанные заряды, линии вектора D проходят не прерываясь.

Для произвольной замкнутой поверхности S поток вектора D сквозь эту поверхность

Поток вектора смещения электростатического поля в диэлектрике сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности свободных электрических зарядов.

В такой форме теорема Гаусса справедлива для электростатического поля как для однородной, так и для неоднородной сред.

Явление, при котором происходит в диэлектрике ограниченное по величине смещение связанных зарядов, или же наблюдается поворот получило в физике название поляризация диэлектриков. Течение этого процесса может происходить или спонтанно, в силу внутренних причин, или же под воздействием внешних сил, прежде всего, электрических полей.

Физико-математическое отражение процесса характеризуется вектором поляризации, представляющим собой который рассматривается в отношении к величине объема диэлектрика. Довольно часто в физическом контексте используют упрощенный термин - поляризация. Этот параметр используется не только для отражения макроскопического состояния. Его можно применять для описания любых явлений, обладающих свойствами, которыми характеризуется и поляризация диэлектриков.

Исходя из этого утверждения, можно сформулировать общий признак явления. Такое состояние диэлектрика, при котором в нем обнаруживается наличие дипольного момента в каждой точке его объема, и характеризует поляризация диэлектриков.

Рассматриваемое явление неоднозначно по своей природе. Различают такие виды поляризации диэлектриков как наведенная, то есть возникающая под воздействием внешних электрических полей, спонтанная, образующаяся при отсутствии внешних возбудителей поляризации, механическая (сегнетоэлектрика), формирующаяся при действии механических возбудителей, термическая, возникающая под действием колебаний температуры.

Особенностью поляризации как является то, что она практически не влияет на величину суммарного заряда однородного диэлектрика, какую бы точку его объема не выбрали. В то же время, при поляризации происходит формирование связанных зарядов на поверхности диэлектрика. Вот эти заряды и являются источниками дополнительного поля с некоторой напряженностью, вектор которой направлен против вектора действия внешнего поля.

Важным в рассматриваемом вопросе выступает и классификация поляризации диэлектриков в зависимости от самих ее механизмов. В этом аспекте выделяются такие ее типы:

Миграционная характерна для материалов, в структуре которых имеются четко различимые слои, обладающие различной проводимостью. Такая поляризация характеризуется замедленным действием;

Электронная поляризация состоит в перемещении оболочек атомов под влиянием внешних электрических полей. Это - самый быстрый тип поляризации;

Ионная характеризуется теми же факторами, что и электронная, только в этом случае происходит не смещение оболочек атомов, а перемещение узлов структуры веществ;

Дипольная, или как ее еще называют ориентационная поляризация характеризуется значительными потерями, причина которых состоит в больших затратах энергии на преодоление внутренних связей в диэлектрике. Для ориентационной поляризации диэлектриков характерно явление строго определенной ориентации диполей;

Электронно-релаксационная характеризуется наличием такой же определенной ориентации дефектных электронов;

Ионно-релаксационная поляризация диэлектриков проявляется в перемещении ионов, которые обладают слабыми внутренними связями и не закреплены устойчиво в узлах кристаллических решеток структуры вещества;

Структурная проявляется также в определенной ориентации элементов диэлектрика, но в этом случае этими элементами выступают различные примеси, которые содержит вещество диэлектрика. Эта поляризация протекает наиболее медленно;

Самопроизвольная (спонтанная) наблюдается у диэлектриков с очень высокими параметрами проницаемости, их называют сегнетоэлектриками;

Резонансная характеризуется совпадением частот электронов диэлектрика с частотами воздействующего на него поля, отсюда, собственно, и такое название.

Как правило, во всех случаях, кроме резонансной поляризации, ее величина достигает максимальных значений в статических полях.

Поляризация диэлектрика – это явление упорядоченного переориентирования молекул диэлектрика под действием внешнего электрического поля . В результате поляризации вместе с молекулами перераспределяются и их электрически заряженные частицы. Получается, что в одном направлении по отношению к силовым линиям поля преобладают положительно заряженные частицы, а в противоположном – отрицательно заряженные.

Интересно, что в результате поляризации в диэлектрике появляется собственное электрическое поле, которое направлено противоположно внешнему, собственно вызвавшему эту поляризацию. И хотя внутреннее поле значительно меньше внешнего, наблюдается эффект достаточно существенного ослабления последнего.

Степень поляризации диэлектрика очень часто выражают его диэлектрической проницаемостью . Чем она меньше, тем сильнее диэлектрик ослабляет внешнее поле.

Типы поляризации

Различают несколько типов поляризации диэлектрика: электронная, ионная, дипольная, электронно-релаксационная, ионно-релаксационная, самопроизвольная, структурная, резонансная и миграционная.

Самая простая и самая быстрая (по времени переориентации молекул) – электронная. При ионной поляризации смещаются не молекулы, а кристаллические решетки диэлектрика. При дипольной – переориентируются диполи молекул. Релаксационная приводит к смещению слабо закрепленных в кристаллической структуре заряженных частиц (электронов или ионов). При резонансной поляризации переориентируются частицы, частоты которых совпадают с частотой внешнего электрического поля. Миграционная связана с тем, что в некоторых диэлектриках есть слои с различной электрической проводимостью . Структурная возникает в неоднородных диэлектриках, содержащих различные примеси.

Поляризация диэлектрика зависит не только от его физических свойств, но и от характера внешнего поля. Как правило, максимальная степень поляризации возникает при воздействии на диэлектрик статического (не изменяющегося во времени) электрического поля. Правда при резонансной поляризации это условие не соблюдается. В этом случае она минимальна, так как резонансная частота движения молекул не может быть равна нулю.

Наименьшее воздействие на внешнее поле из известных материалов оказывает керамика. Именно поэтому этот материал чаще всего используется при создании

Любое вещество, вне зависимости от его агрегатного состояния и деталей его атомно-молекулярного устройства, например, атомный, молекулярный или ионный кристалл и т. п., в конечном счете, состоит из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.

Поэтому механизм поляризации один - это смещение положительных зарядов по поляризующему полю и отрицательных зарядов против поляризующего поля (рис. 3.14). Здесь уместно подчеркнуть, что вещество поляризуется не внешним полем (см., например (3.2) выше), а суммарным полем , созданным как сторонними (не принадлежащими диэлектрику) зарядами, так и самим поляризованным веществом. В дальнейшем мы не будет специально это подчеркивать.

Рис. 3.14. Смещение положительных зарядов по поляризующему полю
и отрицательных зарядов против поляризующего поля

При исследовании поляризационных свойств конкретных веществ разумно и полезно выделять те главные особенности единого механизма перемещения зарядов под действием поляризующего поля, которые и определяют результат: степень и характер поляризованности вещества. Это приводит к рассмотрению целого ряда «частных» механизмов поляризации, таких как:

и многие другие.

Несколько слов по поводу упомянутой выше ионной поляризации, которая имеет место в кристаллах типа поваренной соли NaCl. Под действием поля положительно заряженные ионы натрия Na + и отрицательно заряженные ионы хлора Cl – смещаются в разные стороны из своих равновесных положений, из-за чего каждая элементарная ячейка кристалла приобретает электрический дипольный момент. Этот пример полезен в следующем смысле: как бы сложно ни был устроен диэлектрик - в данном случае ионный кристалл - его поляризация обусловлена смещением в противоположные стороны положительных и отрицательных зарядов. Вопрос в том, какие конкретно носители заряда способны к такому перемещению: свободные электроны в металле, сильно связанные с ядрами электроны электронной оболочки нейтральных атомов или молекул в газе или жидкости, ионы в узлах кристаллической решетки и так далее. Определяется это тем, как устроен диэлектрик.

Процессы, происходящие в диэлектрике при его поляризации, можно понять, исходя из представлений о диэлектрике как о среде, состоящей из попарно связанных разноименных зарядов. В отличие от проводников в диэлектриках нет свободных зарядов, которые под действием внешнего поля могут двигаться по всему объему образца. Заряды, входящие в состав молекул диэлектрика, прочно связаны между собой и способны перемещаться только в пределах своей молекулы (или атома), то есть на расстоянии порядка см.

Практически во всех тех случаях, когда диэлектрик состоит из электрически нейтральных частиц (атомов и молекул), независимо от его агрегатного состояния, возможно сведение всех «подмеханизмов» поляризации к двум видам. Для этого принято делить все атомы и молекулы и состоящие из них диэлектрики на два класса:

Рис. 3.15. Поляризация неполярного диэлектрика

Рис. 3.16. Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика

Здесь - вектор дипольного момента одной молекулы, суммирование ведётся по всем молекулам, находящимся внутри физически бесконечно малого объема . Например, рассмотрим однородно поляризованный шар (рис. 3.17).

Рис. 3.17. Поляризованность и электрическое поле однородно поляризованного шара

При поляризации неполярного диэлектрика электронная оболочка атома или молекулы деформируется - электроны смещаются против поляризующего поля, ядра смещаются по полю. Возникает некоторое расстояние между ранее (в отсутствие поляризующего поля) совпадавшими центрами положительных и отрицательных зарядов. В результате атом или молекула приобретают некоторый наведенный дипольный момент.

Более или менее очевидно, что наведенный дипольный момент будет пропорционален величине внешнего электрического поля. Понять это можно, рассматривая поведение потенциальной энергии П(x ) взаимодействия двух частиц, где х - расстояние между ними. Пусть равновесному состоянию соответствует расстояние (частицы находятся в одной точке и дипольный момент отсутствует). При малых отклонениях от положения равновесия в разложении потенциальной энергии в ряд Тейлора можно ограничиться несколькими первыми членами

Учитывая, что первая производная в точке равновесия равна нулю и что вторая производная в этой точке положительна , получаем, что вблизи точки устойчивого равновесия потенциальная энергия ведет себя как

Соответственно, при отклонении от этого положения возникает сила

,

подобная силе упругости при растяжении пружины. Если заряды в молекуле «соединены» такой «пружиной», то при наложении поля Е новое равновесное расстояние между частицами будет определяться соотношением

В результате находим величину возникшего под действием поля дипольного момента

Умножая наведенный дипольный момент на концентрацию поляризованных молекул N /V (N - их полное число в объеме V ), получаем поляризованность диэлектрика

Если записать поляризованность (3.16) в виде

где константа (для данного вещества) по определению есть диэлектрическая восприимчивость вещества, то для , то в рамках данной модели диэлектрическую восприимчивость можно вычислить по нижеследующей формуле

У молекул, называемых полярными, центры положительных и отрицательных зарядов сдвинуты друг относительно друга, поэтому такая молекула имеет собственный дипольный момент. При помещении такой молекулы в электрическое поле её электронная оболочка деформируется, расстояние между центрами зарядов увеличивается и к исходному собственному дипольному моменту добавляется некоторый наведенный дипольный момент. Однако, можно показать, что этот дополнительный наведенный дипольный момент много меньше собственного. Разумеется, это справедливо, если поляризующее поле много меньше поля, существующего внутри молекулы. По порядку величины внутримолекулярное поле равно атомной единице напряженности электрического поля: В/м. В написанном выражении для атомной единицы напряженности электрического поля масса электрона, его заряд, постоянная Планка. Учитывая, что, например, «пробойная» - приводящая к искровому разряду – напряженность поля для сухого воздуха составляет всего В/м, то есть на пять порядков меньше, можно утверждать, что в подавляющем большинстве экспериментов наведенным дипольным моментом, при наличии собственного, можно пренебречь. В дальнейшем, при рассмотрении поляризации дипольных диэлектриков, этот эффект (наведение дополнительного момента) учитываться не будет.

Векторы собственных дипольных моментов отдельных молекул в обычном состоянии из-за теплового движения ориентированы хаотически. Поэтому при отсутствии внешнего электрического поля средний суммарный дипольный момент любого физически бесконечно малого объема диэлектрика равен нулю. Другими словами, диэлектрик не поляризован: его поляризованность равна нулю.

Внешнее электрическое поле стремится ориентировать дипольные моменты молекул параллельно вектору , а тепловое движение этому препятствует, диэлектрик поляризуется, при этом его поляризованность должна зависеть от температуры, а именно: с ростом температуры она должна убывать. Ниже эта зависимость вычисляется, также будет показано, что и в случае полярных диэлектриков их поляризованность пропорциональна напряженности поляризующего поля. Такая поляризация называется ориентационной (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Ориентационная поляризация диэлектрика

В соответствии с формулой (3.8) потенциальная энергия диполя во внешнем поле Е зависит от ориентации диполя

Согласно статистическому закону Больцмана (рис 3.19), описывающему распределение частиц по энергиям во внешнем поле в условиях термодинамического равновесия, число молекул, дипольный момент которых ориентирован под углом , к внешнему полю, определяется как

Здесь С - нормировочная постоянная, значение которой мы найдем позже, Т - абсолютная температура, постоянная Больцмана - k B = 1,38·10 –23 Дж/К. Вследствие малости дипольного момента молекул, для обычных (не слишком низких) температур показатель экспоненты мал, и мы можем разложить экспоненту в ряд Тейлора, оставляя первые два члена

Рис. 3.19. Л. Больцман (1844–1906) - австрийский физик

Подчеркнем, что использование приближенного выражения (3.18) и всех выводов, следующих из него, оправдано при не слишком низких температурах, когда . Не представляет труда точное вычисление с использованием (3.17) вместо приближенного (3.18), которое читатель может проделать самостоятельно.

Интеграл по полному телесному углу должен дать полное число N молекул в системе. Поскольку среднее значение косинуса равно нулю, то интегрируется лишь первое слагаемое в (3.18). Так как значение полного телесного угла равно , получаем

Теперь мы знаем постоянную С и можем записать выражение (3.18) в виде

Необходимо определить значение проекции суммарного дипольного момента на направление поля (другие проекции заведомо равны нулю ввиду осевой симметрии задачи). Проекция дипольного момента одной молекулы равна рcosa, следовательно полный дипольный момент Р всех молекул в единице объема равен

Интеграл по равен , а интеграл по вычисляется с помощью замены переменной

Находим тогда

Из (3.21) вытекает, что и в случае дипольной ориентационной поляризации вещества поляризованность пропорциональна напряженности электрического поля. Более того, мы нашли зависимость поляризованности от температуры. Это закон Кюри, который подтверждается на опыте (рис. 3.20).

Рис. 3.20. Зависимость поляризованности полярного диэлектрика от температуры (точное решение)

Подводя итоги данного раздела, мы вкратце повторим основные выводы. Внешнее электрическое поле либо создает дипольные моменты, ориентированные по полю, либо ориентирует дипольные моменты отдельных молекул, и диэлектрик приобретает определенный макроскопический дипольный момент. Вектор называется поляризованностью диэлектрика. Он пропорционален напряженности внешнего электрического поля, и эту связь можно представить в виде

то вектор поляризации в СИ измеряется в Кл/м 2 . Его размерность совпадает с размерностью поверхностной плотности зарядов. Это наводит на мысль, что вектор поляризованности связан с плотностью поляризационных зарядов, возникающих на поверхности и в объеме диэлектрика, помещенного во внешнее поле (рис. 3.21).

Рис. 3.21. Вектор поляризованности и плотность поляризационных зарядов

Пропорциональность между поляризованностью Р и напряженностью Е внешнего электростатического поля объясняется в случае электронной и ионной поляризации тем, что с увеличением Е растут дипольные моменты отдельных атомов p i . При дипольной поляризации пропорционально увеличению напряженности внешнего электростатического поля увеличивается степень ориентации векторов p i . Выше мы нашли общие формулы для диэлектрической восприимчивости при различных видах поляризации. Следует подчеркнуть, что они справедливы для газов: мы не учитывали влияния молекул друг на друга, что допустимо для систем, где частицы не слишком плотно упакованы. Но общий вывод остается справедливым и для конденсированных сред (жидкостей и твердых тел): под действием внешнего электрического поля единица объема диэлектрика приобретает дипольный момент Р ; в простейших случаях имеет место линейная зависимость

В полную диэлектрическую восприимчивость диэлектрика дают вклад все три рассмотренных механизма:

Обычно редко бывает, чтобы все доли диэлектрической восприимчивости были одинаково велики. Скажем, в ионных кристаллах дипольная часть вообще отсутствует. Экспериментально вклад каждой доли можно найти, измеряя диэлектрические проницаемости при разных частотах электромагнитной волны. При низких частотах (статическое поле, которым мы сейчас занимаемся) вклад дают все три доли диэлектрической восприимчивости (рис. 3.22).

Рис. 3.22. Зависимость полной диэлектрической восприимчивости диэлектрика
от частоты электромагнитной волны. Указаны диапазоны частот:
I - область радио- и микроволн, II - инфракрасная область, III - ультрафиолетовая область

При повышении частоты первым исчезнет вклад дипольной части: молекулы не будут успевать поворачиваться, следуя быстро изменяющемуся электрическому полю волны. Переход к новому режиму осуществляется обычно при частотах радиодиапазона. При дальнейшем росте частоты исчезнет вклад ионной части: ионы более инерционны, нежели электроны. В диапазоне оптических частот доминирует электронная доля поляризации. При переходе к еще более высоким частотам - за ультрафиолетовой областью - даже электронные облачка не будут успевать следовать за изменениями электрического поля и поляризуемость диэлектрика исчезнет.

Приведем пример: у поваренной соли NaCl диэлектрическая проницаемость в статическом поле равна 5,62, а в поле электромагнитной волны оптического диапазона - всего лишь 2,25. Дипольная поляризуемость в таких кристаллах отсутствует, и различие следует приписать ионной поляризуемости.

Дополнительная информация

http://science.hq.nasa.gov/kids/imagers/ems/index.html - электромагнитные волны, шкала электромагнитных волн;

http://science.hq.nasa.gov/kids/imagers/ems/radio.html - радиоволны;

http://www.nrao.edu/index.php/learn/radioastronomy/radiowaves - радиоволны, источники радиоволн.

Все известные в природе вещества, в соответствии с их способностью проводить электрический ток, делятся на три основных класса : диэлектрики , полупроводники и проводники. Если удельное сопротивление у проводников равно , то у диэлектриков , а полупроводники занимают промежуточную область

В идеальном диэлектрике свободных зарядов , то есть способных перемещаться на значительные расстояния (превосходящие расстояния между атомами), нет . Но это не значит, что диэлектрик, помещенный в электростатическое поле, не реагирует на него, что в нем ничего не происходит.

Любое вещество состоит из атомов, образованных положительными ядрами и отрицательными электронами. Поэтому в диэлектриках происходит поляризация .

Смещение электрических зарядов вещества под действием электрического поля называется поляризацией .Способность к поляризации является основным свойством диэлектриков.

Видов поляризации много.

Поляризуемость диэлектрика включает составляющие – электронную , ионную и ориентационную (дипольную). Рис. 4.1 иллюстрирует механизм этих видов поляризуемости.

Электронная поляризуемость обусловлена смещением электронной оболочки атома относительно ядра. Ионная поляризуемость вызвана смещением заряженных ионов по отношению к другим ионам. Ориентационная (дипольная) поляризуемость возникает, когда вещество состоит из молекул, обладающих постоянными электрическими дипольными моментами, которые могут более или менее свободно изменять свою ориентацию во внешнем электрическом поле.

Есть и другие виды поляризации. Главное в поляризации – смещение зарядов в электростатическом поле. В результате, каждая молекула или атом образует электрический момент p (рис. 4.2):

(4.1.1)

Ясно, что электрический момент p пропорционален напряженности Е – напряженности электростатического поля в месте нахождения молекулы, то есть внутри вещества.

К чему приводит поляризация? Рассмотрим рис. 4.3.

Внутри диэлектрика электрические заряды диполей компенсируют друг друга. Но на внешних поверхностях диэлектрика, прилегающих к электродам, появляются заряды противоположного знака (поверхностно связанные заряды).

Обозначим – электростатическое поле связанных зарядов . Оно направлено всегда против внешнего поля . Следовательно, результирующее электростатическое поле внутри диэлектрика

(4.1.2)

Итак, электростатическое поле внутри диэлектрика всегда меньше внешнего поля. Во сколько раз?

Рассмотрим некоторые количественные соотношения.

Поместим диэлектрик в виде параллелепипеда в электростатическое поле (рис. 4.4).

Электрический момент тела , можно найти по формуле:

(4.1.3)

где – поверхностная плотность связанных зарядов.

Введем новое понятие – вектор поляризации – электрический момент единичного объема.

(т.к. – объем параллелепипеда).

Приравняем (4.1.3.) и (4.1.5) и учтем, что – проекция на направление – вектора нормали, тогда

(4.1.6)

Поверхностная плотность поляризационных зарядов равна нормальной составляющей вектора поляризации в данной точке поверхности.

Отсюда следует, что индуцированное в диэлектрике электростатическое поле E" будет влиять только на нормальную составляющую вектора напряженности электростатического поля .

Вектор поляризации можно представить так:

(4.1.7)

где α – поляризуемость молекул, – диэлектрическая восприимчивость – макроскопическая безразмерная величина, характеризующая поляризацию единицы объема.

Следовательно, и у результирующего поля изменяется, по сравнению с ,только нормальная составляющая. Тангенциальная составляющая поля остается без изменения.