Диэлектрики. Полярные и неполярные молекулы

Диэлектриками называются вещества, электропроводность которых примерно в 10¹⁵…10²⁰ раз ниже, чем электропроводность металлов. Мы сейчас рассмотрим качественно, что происходит с диэлектриком в электрическом поле.

Суммарный заряд атома равен нулю – число положительных зарядов, сосредоточенных в ядре атома – протонов – в точности равно числу электронов в атомных оболочках. Молекула диэлектрика, состоящая из нейтральных атомов, тоже является электрически нейтральной системой зарядов. Как мы уже знаем, поле такой системы определяется величиной и ориентацией дипольного электрического момента (1.38). С учётом того, что электроны движутся в атомах, на опыте обнаруживается некоторое среднее значение дипольного момента. Для определения этого значения в формуле (1.38) следует заменить мгновенные значения радиус-векторов зарядов их средними значениями:

. (1.39)

Такие молекулы, у которых сумма в правой части формулы (1.39) отлична от нуля, и которые обладают дипольным моментом, называются полярными. Полярными являются несимметричные молекулы, например молекулы HCl, NH и т.д.

Если сумма в правой части формулы (1.39) равна нулю, то такие молекулы называются неполярными, и для них дипольный момент равен нулю. Неполярными являются симметричные молекулы H₂, O₂, N₂ и др. Под действием электрического поля положительные и отрицательные заряды смещаются в разные стороны. Положительные заряды смещаются в направлении по полю, а отрицательные – в направлении против поля. В результате молекула приобретает дипольный момент, направленный по полю и величина которого зависит от электрического поля

. (1.40).

b называется поляризуемостью молекулы.

На величину дипольного момента полярных молекул электрическое поле практически не влияет. Оно только поворачивает моменты и пытается выстроить их вдоль поля. А температура разбрасывает моменты.

Поляризованностью диэлектрика называют отношение суммарного момента, заключённого в физически бесконечно малом объёме диэлектрика, к величине этого объёма.

. (1.41)

Для изотропных диэлектриков

. (1.42)

Здесь c называется диэлектрической восприимчивостью диэлектрика. Легко показать, что

c = nb, (1.43)

где n – концентрация молекул.

Заряды, которые входят в состав молекул диэлектрика, называются связанными. Они могут только немного смещаться под действием электрического поля. Заряды, которые находятся в диэлектрике и не входят в состав молекул, а также внешние по отношению к диэлектрику заряды, называются сторонними зарядами. Результирующее, макроскопическое поле в диэлектрике создаётся как связанными – E¢, так и сторонними зарядами – E₀:

E = E₀+E¢. (1.44).