3 Диэлектрики в электрическом поле

Термин «диэлектрик» впервые был введен М. Фарадеем. К диэлектрикам отно­сятся, в первую очередь, электроизолирующие материалы. Однако, многие полупро­водники тоже обладают диэлектрическими свойствами. Электроизолирующие мате­риалы препятствуют рассеянию в пространстве энергии электрического тока. Они иг­рают решающую роль в конструировании электрических приборов, аппаратов, линий передачи электроэнергии. Это приводит к необходимости детального изуче­ния про­цессов, происходящих в диэлектрике под воздействием электрического поля: поляри­зации, проводимости, электрической прочности и др.

Изолирующими материалами могут быть газы, жидкости и твердые тела. Число газообразных диэлектриков невелико и наибольшее значение из них имеет воздух. Среди жидких диэлектриков главное место по масштабу применения при­надлежит трансформаторному маслу, получаемому переработкой нефти. Группа твердых изо­ляторов самая многочисленная - это смолы (искусственные и натураль­ные), растите­льные волокнистые материалы ( из которых вырабатываются ткани, картон, бумага), керамика, искусственные синтетические материалы.

3.1 Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков

Каждая молекула (или атом) диэлектрика содержит положительно з

Рисунок 3.1 - Неполярная молекула: а) Е=0, б) Е0.

аряжен­ные ядра и отрицательно заряженные электроны, движущиеся вокруг ядер. Молеку­ла электрически нейтральна, так как алгебраическая сумма ее зарядов равна нулю. Одна­ко это не означает, что молекулы не имеют элек­трических свойств. Если пред­ставить все положи­тельные заряды ядер молекулы одним суммарным зарядом +q, а все отрицательные заряды электро­нов - суммарным зарядом -q, и если центры «тяжести» этих зарядов пространственно не совпа­дают, то молекулу можно рас­сматривать как ди­поль с дипольным моментом . В окружающем пространстве та­кой молекулярный диполь создает электрическое поле. По электрическим свойствам диэлектрики делятся на три основные группы.

К первой группе относятся диэлектрики с симметричным строением молекулы (N₂, H₂, O₂, CO₂, CH₄, CCl₄, парафин, бензол и другие). В них центры «тяжести» положи­тель­ных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего поля совпадают и =0. Такие молекулы называются неполярными. Неполярную молекулу (или атом) можно схе­матически представить в виде положительно заряженной цен­тральной области (ядра), симметрично окруженной отрицательно заряженной элек­тронной оболочкой (рис.3.1,а).

Рисунок 3.2 - Неполярный

диэ­лектрик в электростатиче­ском поле.

Во внешнем электрическом поле происходит деформация электронных оболо­чек атомов и молекул. «Центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются относительно друг друга (рис.3.1,б). Молекула становится подобной элек­трическому диполю с плечом l, равным расстоя­нию ме­жду центрами «тяжести» положительных и от­рицатель­ных зарядов, и, следовательно, приобретает дипольный момент , называемый индуцированным (наведенным). Такие молекулы располагаются цепоч­ками вдоль сило­вых линий поля || , как показано на рисунке 3.2, где черными кружками обозначены центры «тяжести» отри­цательных зарядов, белыми - центры «тяжести» положи­тельных зарядов. В результате сам диэлектрик приобретает ре­зультирующий электри­ческий момент. Это явление называется поляризацией ди­электрика. В случае непо­лярного диэлектрика ее называют электронной или де­формационной. Электронная поляризация устанавливается очень быстро (за время 10^-15с) и также быстро исчезает п

Рисунок 3.3 - Полярный диэ­лек­трик: а) Е=0,

б) в поле Е₁,

в) поле Е₂ (Е₂>Е₁).

ри снятии поля.

Вторую группу диэлектриков составляют вещества с асимметричным строе­ни­ем молекул (H₂O, NH₃, SO₂, CO,...). Центры «тяжес­ти» положительных и отрицатель­ных зарядов в данном случае не совпадают. В отсутствие внешнего электри­ческого поля молекулы обладают дипольным момен­том . Молекулы таких диэлектриков называются полярными. Однако, в отсутствие поля оси дипольных молекул в диэ­лектрике расположены хаотично, что обусловлено тепловым движением (рис.3.3, а). Поэтому диэлектрик в целом неполяризован. Под влиянием электрического поля мо­лекулы начинают ориентиро­ваться вдоль силовых линий. Степень ориентации за­висит от свойств диэлектрика, величины напряженно­сти поля (рис.3.3, б и в, где Е₂Е₁) и температуры. С ростом Е и понижением Т устанавлива­ется преимуще­ственная ориентация дипольных момен­тов по полю, так как хаотическое тепловое движение препятствует их полной ориентации. Боковые грани диэлектрика, перпендикулярные при­обретают разноименные заряды, а диэлектрик - резуль­ти­рующий электрический момент. Такой вид поляриза­ции на­зывается ориентационной или дипольной. При снятии внешнего поля поляризация диэлектрика исчеза­ет, так как тепловое движение мгновенно разрушает ориентацию ди­полей.

Рисунок 3.4 - Диэлектрик с

ионным строени­ем:

а) Е=0, б) Е0.

В жидких и газообразных полярных диэлектриках в электрическом поле возникают одновременно и ориен­таци­онная, и электронная поляризации. Существует ряд полярных диэлектриков, называе­мых сегнетоэлектриками, у которых и после снятия поля со­храняется значительная поляризация.

Третью группу диэлектриков составляют вещества с ионным строением (NaCl, KCl, KBr,...). Эти ионные кри­сталлы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков. В кристал­лах нельзя выделить отдельные молекулы, их необходимо рассматривать как систему двух вдвинутых одна в другую ионных подрешеток (рис.3.4, а).

В электрическом поле диполи подрешеток деформи­руются: удлиняются, если их оси направлены по полю и укорачиваются, если оси направлены против поля (рис.3.4,б). Такого рода поляриза­ция называется ионной. Степень ионной поляри­зации зависит от свойств диэлектри­ка и от напряженности поля .