Поляризация диэлектрика
Диэлектрик, как и всякое вещество, состоит из атомов и молекул. Молекулу можно рассматривать как электрический диполь (рис.11.1) с электрическим моментом, определяемым формулой
(11.1)
-
величина каждого из зарядов образующих
диполь,
– плечо диполя (если рассматривать как
ядро с зарядом
и
- центр «тяжести» отрицательных зарядов
в молекуле).
Рис. 11. 1
Внесение диэлектрика во внешнее поле приводит к возникновению отличного от нуля результирующего электрического момента диэлектрика или поляризации диэлектрика.
Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появления под воздействием внешнего электрического поля ориентированных по полю диполей.
Различают три вида поляризации:
электронная
дипольная
ионная.
В первом случае возникновение у атомов индуцированного дипольного момента происходит за счет деформации электронных орбит. Во втором случае поляризация заключается в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул по полю. В третьем случае поляризация заключается в смещении подрешетки.
положительных ионов вдоль поля, а отрицательных — против поля.
При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле происходит его поляризация, т. е. он приобретает отличный от нуля дипольный момент
(11.2)
- дипольный момент одной молекулы.
Поляризованность определяется как дипольный момент единицы объема диэлектрика и используется для описания поляризации диэлектрика
(11.3)
Из опыта следует,
что у диэлектриков в относительно
слабых полях поляризованность
линейно зависит от напряженности поля
.
Если диэлектрик изотропный и не слишком велико, то выполняется
(11.4)
- диэлектрическая восприимчивость
вещества, характеризующая свойства
диэлектрика;
>0,
например, для спирта
=
25, для воды
=
80.
Для установления
количественных закономерностей поля
в диэлектрике внесем в однородное
внешнее электрическое поле
пластинку из однородного диэлектрика
(рис.11. 2). Однородное внешнее электрическое
поле создается двумя бесконечными
параллельными разноименно заряженными
плоскостями. Под действием поля диэлектрик
поляризуется, т. е. происходит смещение
зарядов: положительные смещаются по
полю, отрицательные — против поля. На
правой грани диэлектрика появляется
избыток положительного заряда с
поверхностной плотностью
,
на левой — отрицательного заряда с
поверхностной плотностью -
.
Эти некомпенсированные заряды,
появляющиеся в результате поляризации
диэлектрика, называются связанными
зарядами.
Таким образом, появление связанных зарядов приводит к возникновению дополнительного электрического поля , которое направлено против внешнего поля (поля, создаваемого свободными зарядами) и ослабляет его.
37.
Поле внутри диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость.
Результирующее поле внутри диэлектрика определяется
(11.5)
Рис. 11. 2
Из выражения
(11.5), учитывая, что
(поле
создаваемое двумя бесконечными
параллельными разноименно заряженными
плоскостями), получаем
(11.6)
Определим
поверхностную плотность связанных
зарядов
.
Из выражения (11.3) полный дипольный момент пластинки диэлектрика равен
— площадь грани пластинки, — ее толщина.
С другой стороны,
полный дипольный момент, согласно
выражения
,
равен произведению связанного заряда
каждой грани
на
расстояние
между ними, т. е.
.
Таким образом,
или
, (11.7)
поверхностная плотность связанных зарядов равна поляризованности .
Подставив в (11.6) выражения (11.7) и (11.4), получим
. (11.8)
Напряженность результирующего поля внутри диэлектрика запишется
(11.9)
Безразмерная величина
(11.10)
называется диэлектрической проницаемостью среды.
Сравнивая выражения (11.9) и (11.10), видим, что показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком, и характеризует количественно свойства диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.
38.