Поляризация диэлектриков в электрическом поле

Действие электрического поля на организм

Поляризацией вещества в электрическом поле называют явление, обусловленное упорядочением в этом веществе связанных электрических зарядов, которые ориентируются так, что образуемое ими дополнительное электрическое поле направлено в сторону, противоположную внешнему полю. Поляризация в диэлектриках связана с существованием в диэлектрике или образованием в нем под действием электрического поля электрических диполей, т. е. систем, состоящих из двух равных, но противоположных по знаку зарядов q, находящихся на расстоянии l друг от друга. Основная характеристика диполя – его дипольный момент р, т. е. вектор, численно равный произведению величины заряда на длину диполя (p = ql) и направленный от отрицательного заряда к положительному. Поляризация может быть вызвана несколькими качественно различными причинами.

Ориентационная поляризация. Молекулы некоторых диэлектриков обладают электрической асимметрией даже в отсутствие внешнего электрического поля. Таковы молекулы воды, солей, щелочей и кислот, спиртов, белков и других биополимеров. Вследствие беспорядочного теплового движения дипольные моменты таких молекул ориентированы хаотично и векторная сумма всех дипольных моментов в диэлектрике равна нулю (рис. а). Если поместить диэлектрик в электрическое поле с напряженностью E ₀ то диполи будут поворачиваться, стремясь установиться вдоль вектора напряженности поля. Однако этому процессу препятствует тепловое движение. Под действием поля и теплового движения устанавливается равновесие, при котором полярные молекулы приобретают в среднем направленную ориентацию (рис.). Весь же диэлектрик приобретает дипольный момент в направлении поля, что и означает его поляризацию. Для поворота дипольных молекул в направлении вектора напряженности требуется совершить работу, и поэтому часть энергии поля при поляризации теряется, а диэлектрик нагревается.

Степень поляризации диэлектрика характеризуют дипольным моментом единицы объема (или вектором поляризации среды) Р, который равен произведению дипольного момента каждой молекулы на число молекул N, содержащихся в единице объема {P = pN). Установление поляризации при включении электрического поля и исчезновение поляризации при его выключении происходят по экспоненциальному закону

где Р _вкл и Р _выкл – соответственно дипольные моменты единицы объема при включении и выключении поля; Р_¥ – дипольный момент через бесконечно большое время после включения поля; t – время релаксации, т. е. время, в течение которого дипольный момент увеличивается или уменьшается в е раз. Процесс установления и исчезновения поляризации показан на рисунке. Время релаксации для ориентационной поляризации в различных диэлектриках находится в пределах от 10^–11 до 10^–12 с. Есть, однако, материалы, содержащие микронеоднородности, для которых время релаксации может достигать минут и даже часов.

Электронная поляризация. Отдельные атомы не обладают дипольными моментами. Отсутствуют они и у некоторых молекул, в которых заряды атомных электронов и ядер расположены так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов совпадают. Диэлектрик, образованный атомами или такими молекулами, называют нейтральным. Если атомы или нейтральные молекулы попадают в электрическое поле, то электронные оболочки смещаются в сторону, противоположную направлению вектора напряженности поля, электрическая симметрия нарушается и как сами молекулы, так и образованное ими тело приобретают дипольный момент. Этот процесс носит название электронной поляризации. В связи с ничтожно малой массой электрона время релаксации при этом гораздо меньше, чем при ориентационной поляризации (10^–16–10^–14 с). Дипольный момент диэлектрика при электронной поляризации, как правило, невелик, и потерь энергии практически не происходит.

Ионная поляризация. Это процесс, происходящий в кристаллических диэлектриках с кубическими ионными решетками (NaCl, CsCl и др). Под действием электрического поля положительные ионы смещаются в направлении вектора напряженности, а отрицательные – в противоположную сторону. Время релаксации 10^–13–10^–12 с.

Все виды поляризации приводят к тому, что на поверхности диэлектрика в электрическом поле появляются связанные электрические заряды, создающие дополнительное электрическое поле, напряженность которого Е _анаправлена противоположно вектору напряженности внешнего поля Е _о. В результате напряженность поля в диэлектрике равна Е = Е_о – Е _п. Степень уменьшения напряженности поля в диэлектрике по сравнению с напряженностью поля в вакууме определяется относительной диэлектрической проницаемостью вещества e = Е₀/Е_п. Величина e для газов близка к единице (от 1,0001 до 1,01), для неполярных жидкостей она находится в пределах от 2 до 2,5, для жидкостей с полярными молекулами – от 10 до 81 и для твердых диэлектриков– от 2 до 8. Существуют некоторые вещества (сегнетоэлектрики), для которых значения e достигают сотен и тысяч и, кроме того, меняются в зависимости от величины внешнего электрического поля. Для биологических тканей значения e в постоянном электрическом поле велики по причинам, которые будут указаны ниже.

Величина диэлектрической проницаемости зависит от температуры. На электронную поляризацию температура оказывает очень слабое влияние, но для полярных диэлектриков зависимость е от температуры довольно значительна. При низких температурах вязкость жидкого диэлектрика обычно велика, и полярные молекулы испытывают сопротивление при поворотах вдоль вектора напряженности поля. С увеличением температуры вязкость снижается, сопротивление среды повороту молекул уменьшается, и количество связанных зарядов на поверхностях диэлектрика возрастает, что ведет к увеличению диэлектрической проницаемости. При дальнейшем повышении температуры тепловое движение затрудняет ориентацию молекул и диэлектрическая проницаемость уменьшается.

Когда в диэлектрике происходят процессы поляризации, то через него в течение краткого времени после включения электрического поля проходит ток, поскольку при поляризации происходит смещение электрических зарядов. Ток, соответствующий электронной поляризации, I /_э существует очень малый промежуток времени, сравнимый со временем релаксации (~10^–15 с). Ориентационная поляризация протекает медленнее, и связанный с ней ток I _ор существует дольше. Кроме того, в каждом реальном диэлектрике имеется большее или меньшее число свободных электронов или ионов, которые под действием внешнего поля создают ток проводимости I _пр. Таким образом, в диэлектрике под действием внешнего поля протекает ток I = I _пр + I _oр + I _э . Если диэлектрик находится в постоянном электрическом поле, то токи I _э и I _oр быстро прекращаются и остается только ток I _пр, величина которого определяется количеством свободных электронов в диэлектрике.