Виды диэлектриков. Механизмы поляризации

Сегнетоэлектрики.

Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектриках.

Виды диэлектриков. Механизмы поляризации.

Вопросы

Электростатическое поле в диэлектриках

Лекция 4

Диэлектриками (изоляторами) называются вещества, практически не проводящие электрического тока.

При размещении в однородном электри­ческом поле диэлектрической пластину поле внутри пластины будет меньше, чем во внешней области, но отлично от нуля. На поверхностях диэлектрической пла­сти­ны появляются заряды противоположных знаков, поле которых частично компенсирует внешнее поле.

Появление на поверхности диэлектрика зарядов во внешнем поле называется поляризацией диэлектрика, а сами заряды – поляризационными.

Основную роль в механизмах поляризации играют связанные заряды – заряды, входящие в состав атомов и молекул. Эти заряды не могут перемещаться по всему объему вещества, они могут лишь смещаться внутри электрически нейтральных молекул.

Виды диэлектриков

1. полярные (центры тяжести положительных зарядов сдвинуты относительно центров тяжести отрицательных зарядов – Н₂О, NH₃, CO и др.);

Полярную молекулу можно приближенно рассматривать как диполь. Диполь (двойной полюс) представляет собой систему двух равных по модулю, но противоположных по знаку зарядов, находящихся на некотором (обычно малом) расстоянии друг от друга.

Величина

(1)

называется дипольным моментом. Вектор принято направлять от отрицательного заряда к положительному, - полный заряд всех протонов в молекуле.

2. неполярные (центры тяжести всех положительных и отрицательных зарядов молекулы совпадают – N₂, H₂, CH₄ и др.);

3. с ионным строением молекул (кристаллы можно рассматривать как системы перемещаемых друг относительно друга ионных подрешеток – NaCl, KBr и др.).

Механизмы поляризации

1. Ориентационная (дипольная) поляризация

Во внешнем электрическом поле на полярную молекулу действуют силы, стремящиеся повернуть диполь по направлению силовых линий (рис. 3). Таким образом, электрическое поле стремится упорядочить расположение молекул. Этому препятствует тепловое движение молекул. В зависимости от величины напряженности электрического поля, определенная часть молекул расположится так, что их дипольные мо­менты будут направлены вдоль сило­вых линий поля (рис. 4).

2. Электронная (деформационная) поляризация

Для атомов, либо неполярных молекул (частиц, дипольный момент которых равен нулю). в отсутствие внешнего электрического поля центр тяжести электронных «облаков» совпадает с положением ядра, т. е. центром тяжести положительного заряда. В электрическое поле силы, действующие на электроны и ядро, направлены в разные стороны. В результате электронные «облака» искажаются (рис. 5). Атом можно рассматривать как диполь, ориенти­рован­ный вдоль силовых линий внешнего электри­чес­ко­го поля . Диполь, появляющийся во внешнем электрическом поле называется индуцированным диполем.

3. Ионная поляризация

Ионная поляризация наблюдается в твердых ионных кристаллах. Кристаллическая решетка таких кристаллов состоит из подрешетки положительных ионов и подрешетки отрицательных ионов, «вставленных» одна в другую. Под действием электрического поля, к примеру, в кристалле NaCl, подрешетка ионов Na⁺ будет смещаться по полю, а подрешетка ионов Cl^- против поля, и на поверхности кристалла появятся поляризационные заряды.

Независимо от механизма поляризации на поверхности диэлектрика появляется с одной стороны избыток положительных зарядов, с другой стороны – отрицательных. Эти заряды называются поляризационными или связанными. Они имеют поверхностную плотность s_пол и создают собственное поле .

Для количественного описания поляризации вводят понятие вектора поляризации . Вектором поляризации называют дипольный момент единицы объема диэлектрика.

Пусть диэлектрик помещен во внешнее электрическое поле . Рассмотрим прямо­уголь­ный параллелепипед, ребро которого параллельно . Поверхностную плотность поляризационных зарядов на гранях 1 и 2обо­значим и (рис. 6). Рассчи­та­ем суммарный дипольный момент парал­ле­ле­пипеда. Суммарный дипольный момент образца

, (2)

где - площадь каждой из граней 1 и 2. Тогда согласно определению вектор поляризации:

, [Кл/м²] (3)

т.е. вектор поляризации равен поверхностной плотности связанных (поляризационных) зарядов.

У диэлектриков любого типа (кроме сегнетоэлектриков) вектор поляризации связан с напряженностью внешнего поля линейной зависимостью:

, (4)

где c - диэлектрическая восприимчивость; e₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума.

Диэлектрическая восприимчивость c – безразмерная величина, характе­ри­зую­щая дипольный момент при действии поля единичной напряженности.

(c=25 для спирта; c=80 для воды; для большинства диэлектриков – несколько единиц).

Дата добавления: 2014-01-07