Диэлектрики. Диэлектрики в электрическом поле. Поляризация диэлектриков

В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные связанные заряды. Связанные заряды создают электрическое поле , которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности внешнего поля. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика. В результате полное электрическое поле в диэлектрике:

; , (10.2)

где - диэлектрическая проницаемость вещества, показывает, во сколько раз ослабляется электрическое поле внутри диэлектрика за счет его поляризации.

Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная и электронная поляризации.

Ориентационная поляризация возникает в случае полярных диэлектриков, состоящих из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи – нейтральную совокупность двух зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Диполями являются, например, молекула воды, а также молекулы ряда других диэлектриков (H₂S, NO₂ и т. д.).

При отсутствии внешнего электрического поля оси молекулярных диполей из-за теплового движения ориентированы хаотично, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем равен нулю.

Рис. 10.2. Поляризация полярного диэлектрика

При внесении диэлектрика во внешнее поле возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются связанные заряды, создающие поле , направленное навстречу внешнему полю (рис. 1.5.2).

Поляризация полярных диэлектриков сильно зависит от температуры, так как тепловое движение молекул препятствует ориентации молекулярных диполей.

Электронная поляризация возникает в случае неполярных диэлектриков, молекулы которых не обладают в отсутствие внешнего поля дипольным моментом. Под действием электрического поля молекулы неполярных диэлектриков деформируются – положительные заряды смещаются в направлении вектора , а отрицательные – в противоположном направлении. В результате каждая молекула превращается в электрический диполь, ось которого направлена вдоль внешнего поля. На поверхности диэлектрика появляются связанные заряды, создающие свое поле , направленное навстречу внешнему полю . Так происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 10.3).

Деформация неполярных молекул под действием внешнего электрического поля не зависит от их теплового движения, поэтому поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры.

Рис. 10.3. Поляризация неполярного диэлектрика

Если в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд q, то напряженность поля ,создаваемого этим зарядом в некоторой точке, и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме:

. (10.3)