Типи діелектриків Поляризуемость і вектор поляризації
Головна відмінність діелектриків від провідників полягає в тому, що в діелектриках відсутні вільні носії заряду. Заряджені частинки входять до складу атомів і молекул діелектриків, але вони не можуть вільно переміщатися в межмолекулярном просторі, що є, наприклад, вільним електронам в металевих провідниках. Зсув зарядів в молекулах діелектрика обмежена атомними масштабами.
Розрізняють три типи діелектриків: неполярні, полярні і іонні.
До неполярних діелектриків (N2. H2. O2. CO2 і ін.) Відносяться речовини, молекули яких мають симетричну будову. Під час відсутності зовнішнього електричного поля центри позитивного і негативного зарядів таких молекул збігаються. Іншими словами, їх дипольний момент дорівнює нулю.
Молекули діелектриків другої групи - полярних - мають асиметричну будову (H2 O, CO, SO2 та ін.). Такі молекули і під час відсутності зовнішнього електричного поля мають початковий дипольний момент, відмінний від нуля. Полярні молекули прийнято умовно зображати у вигляді гантельки (рис. 5.1.).
Кристалічну структуру іонних діелектриків (NaCl, KCl, KBr і ін.) Можна розглядати як систему двох іонних решіток, всунути одна в іншу.
Тепер подивимося, що буде відбуватися з молекулами діелектриків в електричному полі.
а) Не полярні діелектрики
В діелектричному поле на позитивні і негативні заряди молекул діятимуть рівні і протилежні сили, що розтягують молекулу (рис. 5.2.). Дія цих сил призводить до деформації молекул і до виникнення у них дипольного моменту:. Величина цього моменту, як показує досвід, пропорційна напруженості поля, тому такі молекули називають ще пружними диполями.
б) Полярні діелектрики
Полярні молекули не змінюють величину свого дипольного моменту під дією електричного поля. На відміну від неполярних молекул, вони ведуть себе як жорсткі диполі.
В електричному полі на таку жорстку молекулу діє крутний момент, який прагне орієнтувати дипольні моменти молекул уздовж поля (рис. 5.3.).
в) Йонні діелектрики
В електричному полі позитивні і негативні підгратки іонної структури зміщуються один щодо одного, і при цьому виникає дипольний момент.
Всі ці явища, що відбуваються в діелектриках в присутності електричного поля, називаються поляризацією. У першому випадку це була деформационная поляризація, в другому - орієнтаційна. в третьому - іонна.
Молекули такого речовини мають дипольні моменти. Але за відсутності електричного поля в однорідному діелектрику немає будь-якого переважного напрямку, і тепловий рух хаотично перемішує дипольні моменти молекул таким чином, що сумарний момент молекул одиниці об'єму речовини дорівнює нулю.
В електричному полі на молекули діють обертаючі моменти, які прагнуть орієнтувати диполі вздовж поля. На кордонах діелектрика при цьому виникають «пов'язані» заряди з поверхневою щільністю + s 'і -s' (рис. 5.4.).
Ступінь поляризації діелектрика в електричному полі характеризується вектором поляризації, рівним векторній сумі дипольних моментів всіх молекул одиниці об'єму речовини (тепер ця сума не дорівнює нулю):
Досвід показує, що вектор поляризації діелектрика пропорційний напруженості поля:
Тут: c - діелектрична сприйнятливість речовини;
e0 - знайома нам електрична постійна.
У разі неполярного діелектрика дипольний момент окремої молекули, як уже згадувалося, пропорційний напруженості електричного поля:
Тут b - поляризованість молекули.
Тоді сумарний дипольний момент всіх молекул в об'ємі DV буде дорівнює:
Вектор поляризації (поляризованность) в цьому випадку, як і в випадку полярного діелектрика, виявляється пропорційним напруженості поля:
Тут діелектрична сприйнятливість c дорівнює добутку числа молекул в одиниці об'єму (n) і коефіцієнта поляризуемости (b):
Покажемо, що вектор поляризації визначається величиною пов'язаного заряду s '.
Розглянемо однорідне поляризований діелектрик, виконаний у вигляді похилої призми з основою S і ребром L. паралельним вектору поляризації (рис. 5.5).
Електричний момент призми дорівнює q '× L = s' × S × L. Тут q 'і s' - пов'язаний заряд і щільність пов'язаного заряду на основі призми.
З огляду на, що обсяг призми дорівнює V = S × L × cosa, цей же електричний момент представимо у вигляді:
Звідси легко отримати шукане співвідношення:
Цей результат дозволяє зробити наступні висновки:
1. поверхнева щільність зв'язаних зарядів дорівнює нормальної складової вектора поляризації;
2. заряд, що пройшов в процесі поляризації через одиничну поверхню, нормальну до напряму зміщення зарядів, дорівнює модулю вектора поляризації.