Электрическое поле в веществе. Типы диэлектриков

Вещество, внесенное в электрическое поле, может изменить его, так как вещество состоит из заряженных частиц. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле складывается по принципу суперпозиции из внешнего поля и внутреннего поля , создаваемого заряженными частицами вещества.

Вещество многообразно по своим электрическим свойствам. Вещества делятся на два класса проводники и диэлектрики.

Диэлектриками – называется вещества, которые не проводят электрич. ток. В них отсутствуют свободные электрические заряды.

Свойства диэлектриков можно описать используя модель диполя – систему двух разноименных зарядов, находящихся на небольшом расстоянии друг от друга.

, где q- положительный (или равный ему отрицательный) заряд молекулы, l- расстояние между центрами масс положительных и отрицательных зарядов.

В зависимости от строения молекул различаются полярные, неполярные и ионные диэлектрики.

Если в отсутствие внешнего электрического поля центры масс положительных и отрицательных зарядов в молекуле диэлектрика совпадают, то он называется неполярным (дипольный момент молекулы , например N₂, H₂, O₂, CO₂).

Для диэлектриков с полярными молекулами в отсутствие внешнего поля обладают дипольным моментом (например, H₂O,CO,NH₃,SO₂,HCl) т.к. в молекулах полярных диэлектриков ядра и электроны расположены таким образом, что центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

К ионным диэлектрикам относятся ионные кристаллы которые представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков (например, NaCl, KCl).

При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле происходит его поляризация.

Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появление под воздействием электрического поля ориентированных по полю диполей.

Различают:

а) ориентационную поляр-ию диэлектрика с полярными молекулами, состоит в ориентации дипольных моментов молекул по полю. Ориентационная пол-ия возрастает с увеличением напряженности поля и убывает при повышении температуры.

б) электронную поляр-ию диэл-ка с неполярными молекулами, состоящую в возникновении у атомов индуцированного дипольного момента за счёт деформации электронных орбит.

в) ионную поляр-ию диэ-ка с ионными кристаллическими решетками, состоящую в смещении положит-х ионов решетки вдоль направления поля, а отрицательных ионов – в противоположную сторону.

Количественной мерой поляризованного состояния диэлектрической среды является вектор , называемый поляризованностью (вектором поляризации) – векторная величина, определяемая дипольным моментом ед. объема диэлектрика

, где , - дипольный момент одной молекулы.

Из опыта следует, что поляризованность линейно зависит от напряженности поля .

В случае изотропного диэлектрика , где - диэлектрическая восприимчивость вещества, характеризующая свойства диэлектрика (безразмерная величина).

При помещении диэлектрика во внешнее электростатическое поле он поляризуется, т.е. происходит смещение зарядов: положительные смещаются по полю, отрицательные – против поля.

Рассмотрим пластинку из однородного диэлектрика.

В результате на правой грани будет избыток положительного заряда с поверхностной , на левой – отрицательного заряда -. Эти нескомпенсированные заряды, появляющиеся в результате поляризации диэлектрика, называются связанными.

Поле связанных зарядов направленного против внешнего поля (поля, создаваемого свободными зарядами) ослабляет его. Результирующее поле внутри диэлектрика: (1)

Поле

Тогда формула (1) примет вид E = E 0 - s¢ / ε0

Определим поверхностную плотность связанных зарядов s¢.

Полный дипольный момент пластинки диэлектрика , где S – площадь грани пластинки, d – ее толщина.

С другой стороны, полный дипольный момент равен произведению связанного заряда каждой грани Q ¢ = σ¢ S на расстояние d между ними, т.е.

Следовательно, s¢ S d или

s¢ = (2)

т. е. поверхностная плотность связанных зарядов равна поляризованности P.

Подставим (2) в (1), получим

Напряженность результирующего поля внутри диэлектрика равна

,

- безразмерная величина, называется диэлектрической проницаемостью среды, т.е. показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком, количественно характеризуя свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.

Дата добавления: 2014-01-07