1.10. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков

Диэлектрики состоят из атомов и молекул. Так как положительный заряд всех ядер молекулы равен суммарному заряду электронов, то молекула в целом электрически нейтральна. Бели заменить положительные заряды ядер молекул суммарным зарядом +Q, находящемся в центре "тяжести" положительных заря­дов, а заряд всех электронов - суммарным отрицательным зарядом -Q, находя­щемся в центре "тяжести" отрицательных зарядов, то молекулу можно рассмат­ривать как электрический диполь с электрическим моментом, определенным по формуле ( ), где - плечо диполя.

Первую группу диэлектриков (N₂, Н₂, О₂, СО₂,...) составляют вещества, молекулы которых имеют симметричное строение, т.е. центры "тяжести" поло­жительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают и, следовательно, дипольный момент молекулы равен нулю. Молекулы таких диэлектриков называются неполярными. Под дей­ствием внешнего электрического поля заряды неполярных молекул смещаются в противоположные стороны (положительные по полю, отрицательные против поля), и молекула приобретает дипольный момент.

Второю группу диэлектриков (Н₂О, NH₃, SO₂, CO2,. .) составляют вещест­ва, молекулы которых имеют асимметричное строение, т.е. центры "тяжести" положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Таким образом, эти молекулы в отсутствие внешнего электрического поля обладают дипольным моментом. Молекулы таких диэлектриков называются полярными. При отсутствии внешнего поля, однако, дипольные моменты полярных молекул вследствие теплового движения ориентированы в пространстве хаотично, и их результирующий момент равен нулю. Если такой диэлектрик поместить во внешнее поле, то силы этого поля будут стремиться повернуть диполи вдоль поля и возникает отличный от нуля результирующий момент.

Третью группу диэлектриков (NaCl, KCI, КВг,...) составляют вещества, мо­лекулы которых имеют ионное строение. Ионные кристаллы представляют со­бой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных зна­ков. В этих кристаллах нельзя выделить отдельные молекулы, а рассматривать их можно как систему двух вдвинутых одна в другую ионных подрешеток. При наложении на ионный кристалл электрического поля происходит некоторая де­формация кристаллической решетки или относительное смещение подрешеток, приводящее к возникновению дипольных моментов.

Таким образом, внесение всех трех групп диэлектриков во внешнее элек­трическое поле приводит к возникновению отличного от нуля результирующе­го электрического момента диэлектрика или, иными словами, к поляризации диэлектрика. Поляризацией диэлектрика называется процесс ориента­ции диполей или появления под воздействием электрического поля ориентиро­ванных по полю диполей.

Соответственно трем группам диэлектриков различают три вида поляриза­ции: электронная, или деформационная, поляризация ди­электрика с неполярными молекулами, заключающаяся в возникновении у ато­мов индуцированного дипольного момента за счет деформации электронных орбит.

Ориентационная, или дипольная, поляризация диэлек­трика с полярными молекулами, заключающаяся в ориентации имеющихся ди­польных моментов молекул по полю. Естественно, что тепловое движение пре­пятствует полной ориентации молекул, но в результате совместного действия обоих факторов (электрическое поле и тепловое движение) возникает преиму­щественная ориентация дипольных моментов молекул по полю. Эта ориентация тем сильнее, чем больше напряженность электрического поля и ниже темпера­тура.

Ионная поляризация диэлектриков с ионными кристаллическими решетками, заключающаяся в смещении подрешетки положительных ионов вдоль поля, а отрицательных - против поля, приводящем к возникновению дипольных моментов.