Поляризация диэлектрика

Определение. Поляризацией диэлектрика называется процесс приобретения его объемом дипольного момента во внешнем электрическом поле.

Поляризация диэлектрика обусловлена смещением связанных зарядов внутри молекул диэлектрика под действием внешнего электрического поля.

Определение. Молекулы называются полярными, если в отсутствие внешнего электрического поля они не имеют дипольных моментов, а если имеют – полярными.

Примеры неполярных молекул и атомов: атом , двухатомные молекулы, состоящие из одинаковых атомов - , симметричные многоатомные молекулы , и др. Неполярные молекулы симметричны так, что центры массы положительных и отрицательных зарядов совпадают в каждой молекуле. В отсутствие внешнего поля такой диэлектрик не поляризован.

Примеры полярных молекул: и др. Полярные молекулы несимметричны так, что центры массы положительных и отрицательных зарядов не совпадают в каждой молекуле. В отсутствие внешнего электрического поля постоянные по величине дипольные моменты молекул ориентированы хаотически из-за теплового движения - диэлектрик не поляризован.

Во внешнем поле положительные заряды в молекулах смещаются по направлению напряженности поля, а отрицательные – против этого направления. Неполярные молекулы приобретают дипольные моменты в направлении внешнего поля – диэлектрик поляризуется. На дипольные моменты полярных молекул во внешнем поле действуют моменты силы, стремящиеся развернуть дипольные моменты молекул вдоль напряженности поля – диэлектрик поляризуется. Изменением величин дипольных моментов полярных молекул под влиянием внешнего поля можно пренебречь. Для ионных кристаллов характерна ионно-решеточная поляризация. Под влиянием внешнего поля положительные ионы смещаются в направлении поля, а отрицательные – против этого направления. Деформация кристаллической решетки сопровождается приобретением образцом дипольного момента, то есть поляризацией.

Степень поляризации диэлектрика характеризуется поляризованностью. Выделим физически малый объем в окрестности точки наблюдения с радиус-вектором . Обозначим - дипольный момент объема . Вектор поляризованности определяет дипольный момент диэлектрика в расчете на единицу объема:

(3.4)

У изотропных диэлектриков любого типа поляризованность пропорциональна напряженности поля в той же точке диэлектрика:

(3.5)

где - диэлектрическая восприимчивость диэлектрика, - безразмерная величина.

Наиболее просто формула (3.5) выводится для неполярных диэлектриков. Поляризация неполярной молекулы протекает так, как если бы положительные и отрицательные заряды в ней были бы связаны упругими силами. Поэтому дипольный момент , индуцированный полем с напряженностью , пропорционален этой напряженности:

(3.6)

где поляризуемость молекулы имеет размерность м³.

Обозначим - концентрация молекул. В объеме находится молекул. С учетом (3.6) дипольный момент объема равен

Разделив эту величину на , получим поляризованность (3.5).