ДИЕЛЕКТРИК. ПОЛЯРИЗАЦИЯ НА ДИЕЛЕКТРИКА

В зависимост от концентрацията на свободните заряди телата се разделят на проводници (n0

10 28 ÷ 10 29 m -3 ), полупроводници (n0

10 17 ÷ 10 19 m -3 ) и диелектрици (n0

10 9 ÷ 10 13 m -3).

Диелектриците, както всяко друго вещество, се състоят от неутрални атоми и молекули. Ако заменим целия положителен заряд на молекулата с един точков заряд, поставен в центъра на неговото разпределение и направим същото с електроните, тогава всяка молекула в този случай може да се разглежда като електрически дипол. На тази основа всички диелектрици могат да бъдат разделени на три групи:

Първата група се формира от вещества със симетрично разпределение както на положителните, така и на отрицателните заряди в молекулата. За такива молекули центровете на разпределение на положителните заряди и електроните съвпадат. Те се наричат неполярни. техния диполен момент. Под въздействието на външно поле противоположните заряди на такива молекули се изместват по силовите линии в противоположни посоки. В този случай се появява диполен момент, насочен по протежение на полето (N2, H2, O2, CO2, CH4).

Втората група се състои от материали, чиито молекули имат асиметрично разпределение на заряда. Такива молекули се наричат полярни. Те имат свой собствен електрически диполен момент. При нормални условия векторите на диполните моменти на отделните молекули са произволно ориентирани поради топлинно движение. Поради тази причина общият момент на тялото е нула. Външно електрическо поле се стреми да ориентира диполните моменти на такива молекули по протежение на силовите линии. Това ще доведе до появата на получения, не равен на нула, електрически момент на целия диелектрик. Примери: H2O, NH3. SO2, CO.

Третият тип включва диелектрици с кристална структура с правилно редуване на различни йонизнаци. Тяхната структура може да се разглежда като система от две йонни подрешетки, вкарани една в друга. Под въздействието на полето се получава леко насрещно изместване на кристалографските равнини: равнините, съдържащи положително заредени йони, се изместват по полето, а равнините, образувани от отрицателни йони, се изместват срещу полето. Това води до появата на някакъв резултатен диполен момент на целия кристал.

Процесът на ориентация на диполните моменти или появата им под въздействието на външно електрическо поле, което води до появата на електричен момент за всеки елемент от обема на диелектрика, се нарича поляризация на диелектриците.

Има три вида такава поляризация:

1.Електронна или деформационна - състои се в възникването на индуцирани диполни моменти на атомите поради деформация на електронни обвивки, т.е. изместване на електронните орбитали спрямо ядрата.

2.Ориентационен или диполен - подреждане в подреждането на съществуващите диполни моменти.

3.Йонен - възниква в резултат на насрещното изместване на кристални подрешетки: състоящи се от положително заредени йони по протежение на полето и образувани от отрицателни йони - срещу полето. Количествено, поляризацията се характеризира с поляризация (вектор на поляризация) - векторна величина, дефинирана като общия диполен момент на единица обем на диелектрика:

, (21)

където piе диполният момент на една молекула; pv е общият диполен момент на целия диелектрик.

От опит е известно, че за голям клас диелектрици (с изключение на сегнетоелектриците) поляризацията зависи линейно от силата на външното поле:

= χε , (22)

където е напрегнатостта на електрическото полев точката, за която се определя; χ (chi) е диелектричната чувствителност на веществото;

χ винаги е положителна, безразмерна величина. За повечето диелектрици (твърди и течни) χ е само няколко единици (въпреки че, например, за алкохол χ ≈ 25, а за вода χ = 80).

За да установим количествените закономерности на полето в диелектрика, въвеждаме плоча от хомогенен диелектрик в еднородно външно електростатично поле E0(създадено от две успоредни противоположно заредени равнини), като я поставяме перпендикулярно на линиите на полето. Под действието на полето диелектрикът се поляризира, т.е. има изместване на зарядите: положителните се изместват по протежение на полето, отрицателните заряди се изместват срещу полето.В резултат на лицето на диелектрика, обърнато към отрицателната равнина, ще има излишък от положителен заряд с повърхностна плътност +σ, отляво - отрицателен заряд с повърхностна плътност -σ. Тези некомпенсирани заряди, произтичащи от поляризацията на диелектрика, се наричат свързани. Тъй като тяхната повърхностна плътност σ е по-малко плътна

В резултат на поляризацията на повърхността на диелектрика се появяват свързани заряди (фиг.).Векторът на напрегнатостта на полето на свързаните заряди е насочен вътре в диелектрика обратно на вектора на силата на външното поле, което е причинило поляризацията (фиг.). Сега, в съответствие с принципа на суперпозиция, силата на полето вътре в диелектрика:

или . (23)

Силата на електрическото поле на свързаните заряди може да се определи по формулата: , където σ ´ е повърхностната плътност на свързаните заряди. Може да се покаже, че повърхностната плътност

на свързаните заряди е равен на модула на поляризационния вектор на диелектрика - σ ´ = Р. Като се вземе предвид (13), замествайки в (15), получаваме: (24).

Откъде идва силата на полученото поле вътре в диелектрика:

. (25)

Безразмерната величина ε = 1+χ се нарича диелектрична проницаемост на средата. От (17) може да се види, че диелектричната проницаемост количествено характеризира свойството на диелектрика да поляризира и показва колко пъти външното поле е отслабено от този диелектрик.