Типы диэлектриков

Диэлектрики в электрическом поле

В идеальном диэлектрике нет свободных зарядов, способных под действием электрического поля перемещаться через весь диэлектрик. Атомы и молекулы диэлектрика содержат равные количества положительных и отрицательных микроскопических зарядов и в целом электрически нейтральны. Электрические поля, определяющие взаимодействие микроскопических зарядов, имеют внутри атомов величину порядка 10¹¹В/ м, что во много раз превышает величину максимальных достижимых на практике макроскопических полей (10⁷ В/м). Этим объясняется высокая устойчивость атомов и молекул во внешних электрических полях и относительно слабое воздействие этих полей на стационарное распределение зарядов внутри атома, которое зависит от конкретного строения тела. В зависимости от строения можно разделить все диэлектрические вещества на три большие группы. К первой группе принадлежат диэлектрики, у которых «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов совпадают. Таковы например, парафин, бензол и ряд других углеводородов, газообразный водород и азот. Молекулы таких диэлектриков в отсутствие внешнего электрического поля не обладают дипольным моментом. Во внешнем поле" центры тяжести" положительных и отрицательных зарядов молекул смещаются в противоположные стороны на некоторое расстояние , малое по сравнению с размерами молекул (рис.17.1б). Каждая молекула при этом приобретает дипольный электрический момент:

, (3.6.1)

величина которого в первом приближении прямо пропорциональна приложенному полю . При снятии внешнего поля, молекулы возвращаются в первоначальное положение и дипольный момент обращается в нуль. Подобные диполи называются «упругими».

Рис. 17.1

Вторую группу диэлектриков составляют такие вещества, как вода, нитробензол и др., молекулы которых имеют асимметричное строение. При этом «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов молекул не совпадают друг с другом, и молекула представляет собой «жесткий» диполь даже в отсутствие внешнего поля. Численная величина дипольного момента таких полярных молекул обычно имеет порядок:

=10^-19Кл·10^-10м=10^-29 Кл × м.

При отсутствии внешнего поля (=0) дипольные моменты отдельных молекул вследствие теплового движения в каждый данный момент времени ориентированы в пространстве хаотично. Среднее значение проекции вектора на любое направление при этом тождественно равно нулю (р_х= 0) и диэлектрик в целом не обладает дипольным моментом.

При помещении такого диэлектрика в однородное внешнее поле на каждый жесткий диполь будут действовать электрические силы, стремящиеся повернуть его вдоль поля. Вращательный момент возникающей пары сил (рис.17.2) будет равен:

М_вр = Fh = qEsina = pEsin (^Ù). (3.6.2)

Рис.17.2

С другой стороны, хаотическое тепловое движение препятствует ориентации диполей по полю и вновь располагает жесткие диполи под самыми различными углами a к направлению поля. В результате этих противоположных воздействий среднее значение проекции дипольного момента молекулы на направление поля р_Е = р·станет не равным нулю. Величина р_E будет в первом приближении прямо пропорциональна напряженности поля и обратно пропорциональна абсолютной температуре Т. Весь диэлектрик в целом будет обладать диполь­ным моментом, направленным вдоль внешнего поля. К третьей группе относятся кристаллические диэлектрики, имеющие, ионное строение (хлористый натрий, хлористый калий и др.). При внесении их в электрическое поле происходит некоторое небольшое смещение положительных ионов кристаллической решетки по полю, а отрицательных - против поля. Такой диэлектрик будет обладать дипольным моментом, направленным вдоль внешнего поля и пропорциональным величине последнего.