Электрическое поле в диэлектрике. Электронная поляризация. Ориентационная поляризация.

Диэлектриками называют вещества, практически не проводящие электрического тока, у которых электрически заряженные частицы связаны друг с другом; они не могут подобно свободным зарядам проводника, перемещаться под действием электрического поля по всему объему тела.

Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул (полярных или неполярных), либо из заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки.

Под действием внешнего поля происходит поляризация диэлектрика.

Нескомпенсированные заряды, появляющиеся в результате поляризации диэлектрика называют связанными, тем самым, подчеркивая, что свобода перемещения таких зарядов ограничена. Заряды, которые не входят в состав молекул диэлектрика, называют сторонними.

Поле в диэлектрике является суперпозицией поля сторонних зарядов и поля связанных зарядов:

(23)

Поляризованность диэлектрика – вектор численно равный дипольному моменту единицы объема вещества:

(24)

(25)

где - концентрация молекул (их число в единице объема); - средний дипольный момент одной молекулы.

Для обширного класса диэлектриков и широкого круга явлений поляризованность зависит линейно от напряженности поля в диэлектрике. Если диэлектрик изотропный и не слишком велико:

æ (26)

где æ - безразмерная величина, называемая диэлектрической восприимчивостью вещества. Всегда æ > 0.

Теорема Гаусса для вектора . Поток вектора сквозь произвольную замкнутую поверхность S равен взятому с обратным знаком избыточному связанному заряду диэлектрика в объеме, охватываемом поверхностью S, т.е.

(27)

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.