§ 15.10. Діелектрик в електричному полі. Поляризація діелектрика.
З'ясуємо, що відбувається в діелектрику, коли він потрапляє в електричне поле. Як відомо, в діелектрику відсутні вільні носії, зарядів. Всі електричні заряди діелектрика входять до складу його молекул і можуть зміщуватися лише на дуже малі відстані: в межах молекули або атома.
Оскільки діелектрик зменшує силу взаємодії зарядів, т. Е. Послаблює електричне поле (§ 14.7), то можна зробити висновок, що зміщення зарядів всередині молекул діелектрика дійсно відбувається.
З'ясуємо механізм цього явища.
Спочатку уявімо собі атом, діаметр ядра якого має розмір близько Тоді його електронну хмару - (в першому наближенні припустимо, що воно сферичне) буде мати радіус порядку З порівняння розмірів ядра і електронної хмари видно, що ядро атома цілком можна прийняти за точку, яка знаходиться в центрі хмари. Якщо цей атом потрапить в
електричне поле з напруженістю Е, то хмара зміститься проти напрямку Е на деяку відстань щодо ядра (рис. 15.19).
Оскільки ядро в кілька тисяч разів масивніше електрона, а останній рухається в атомі з дуже великою швидкістю (порядку ядро реагує тільки на середню силу тяжіння до електронів в атомі. Тому можна вважати, що весь негативний заряд хмари зосереджений в його центрі, а весь атом, що знаходиться в електричному полі, можна уподібнити системі двох рівних за величиною і протилежних за знаком зарядів які розташовані на відстані Таку систему називають диполем. Отже, коли атом потрапляє в зовнішнє електричне поле, то він перетворюється в електричний диполь, який створює своє електричне поле, що ослаблює зовнішнє поле в діелектрику (рис. 15.20).
Твір називається електричним моментом диполя. Електричний момент є вектор, спрямований уздовж I від негативного заряду до позитивного (рис. 15.21), модуль якого визначається співвідношенням
Виявляється, що електричний момент молекул, обумовлений зміщенням електронних хмар щодо ядер, прямо пропорційний напруженості поля Е, т. Е.
(А називається електронною полярізуємостью молекули). Тоді чим більше напруженість зовнішнього поля тим більше стають електричні моменти диполів в діелектрику.
При цьому всі вектори електричних моментів молекул діелектрика виявляються спрямованими паралельно Е. Такий діелектрик називається поляризованим, а його диполі називаються м'якими, так як їх довжина залежить від Е.
Поляризація діелектрика, обумовлена зміщенням електронних хмар в молекулах щодо ядер, називається електронною поляризацією. Вона спостерігається в будь-якому діелектрику і цікава тим, що не залежить від температури.
Якщо в молекулі немає центру симетрії, то вона має власний електричний момент і при відсутності поля в діелектрику (рис. 15.22). Оскільки атоми в такій молекулі жорстко пов'язані, можна вважати, що її електричний момент не залежить від зовнішнього поля в діелектрику. Такі диполі прийнято називати жорсткими. На рис. 15.22 зображені дві можливі конфігурації молекули типу а - неполярная молекула, результуючий дипольний момент дорівнює нулю, б - полярна молекула, результуючий дипольний момент визначається векторної сумою дипольних моментів окремих зв'язків. Природними диполями є, наприклад, молекули води, в яких атоми розташовані, як на рис. 15.22, б (зв'язку ОН утворюють кут 105 °).
Під час відсутності зовнішнього поля природні диполі розташовані хаотично, тому їх поля взаємно компенсуються. Однак якщо внести такий діелектрик у зовнішнє поле, то на кожен диполь буде діяти пара сил (рис. 15.23, а).
Тому жорсткі диполі повертаються, а в сильному полі навіть шикуються ланцюжками вздовж ліній напруженості поля (рис. 15.23, б). Диполі при цьому створюють власне поле (рис. 15.23, в), що послаблює зовнішнє поле в діелектрику. Це явище називається орієнтаційної або дипольної поляризацією діелектрика. Легко здогадатися, що орієнтаційна поляризація повинна зменшуватися при підвищенні температури діелектрика, так як хаотичний рух диполів порушує їх впорядковане розташування в поляризованому діелектрику.
У кристалічних діелектриках, що мають іонну будову, спостерігається ще й третій тип поляризації. Під впливом зовнішнього поля позитивні іони діелектрика зміщуються у напрямку вектора напруженості, а негативні іони - в зворотну сторону. Таке явище називається іонної поляризацією діелектрика.
На рис. 15.23, б видно, що різнойменно заряджені кінці сусідніх диполів повинні взаємно нейтралізувати свої дії на інші заряди. Нескомпенсованими залишаються тільки заряди на кінцях диполів, які виступають на поверхню діелектрика. При цьому з того боку, де лінії напруженості зовнішнього поля входять в діелектрик, знаходяться негативні заряди диполів, а на протилежному кінці - позитивні заряди. Всі заряди на поверхні поляризованого діелектрика є пов'язаними, т. Е. Входять до складу молекул. Їх називають поляризаційними зарядами. все вплив
поляризованого діелектрика на електричне поле зводиться до дії тільки його поляризаційних зарядів. Це справедливо для всіх типів поляризації.
Поле всередині діелектрика, створене його поляризаційними зарядами, направлено назустріч зовнішньому полю (рис. 15.23, в), т. Е. Послаблює зовнішнє поле, але повністю не знищує його (порівняйте з провідником). Відмінність від провідника тут проявляється ще й в тому, що, розділяючи поляризований діелектрик на частини, не можна відокремити позитивні заряди від негативних. На протилежних сторонах кожної частини поляризованого діелектрика при цьому завжди залишаються заряди різних знаків. Це доводить, що поляризаційні заряди діелектрика дійсно є пов'язаними, т. Е. Входять до складу диполів.
Ослаблення поля в діелектрику, обумовлене його поляризацією, пояснює вплив діелектрика на силу взаємодії між наелектризованими тілами. Дійсно, якщо два заряду помістити в діелектрик, то він поляризується і навколо зарядів з'являються поляризаційні заряди, що рівноцінно зменшенню зарядів (рис. 15.24), а значить, і сили їх взаємодії.
Тепер стає зрозумілим, чому сила взаємодії між зарядами має найбільшу величину в вакуумі і чому в формулу закону Кулона входить діелектрична проникність середовища.
Відзначимо, що при досить великому значенні напруженості електричного поля в діелектрику може відбуватися руйнування його диполів. При цьому всередині діелектрика з'являються вільні заряди, які при своєму русі викликають механічне пошкодження діелектрика. Таке явище називається пробоєм діелектрика. Прикладом пробою може служити електричний розряд у вигляді блискавки під час грози.