Поляризация диэлектриков

Диэлектриками (или изоляторами) называют вещества, не способные проводить электрический ток. Это связано с тем, что в диэлектриках в отличие от проводников нет зарядов, способных перемещаться на значительные расстояния, создавая ток. Идеальных изоляторов в природе не существует. Все вещества в той или иной степени проводят электрический ток. Однако диэлектрики проводят ток в 10¹⁵ - 10²⁰ раз хуже, чем проводники.

При внесении диэлектрика в электрическое поле и поле, и сам диэлектрик претерпевают существенные изменения. Чтобы понять, почему это происходит, нужно учесть, что в составе атомов и молекул имеются положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны. Для диэлектриков, как и для любого вещества, суммарный заряд молекулы, состоящей из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, равен нулю. Поле, создаваемое молекулой, и испытываемая молекулой во внешнем поле сила определяются дипольным моментом молекулы

= , (7.1)

где -средние значения смещений электронов и ядер.

Положительный заряд этого диполя равен суммарному заряду ядер и помещается в «центре тяжести» положительных зарядов; отрицательный заряд равен суммарному заряду электронов и помещается в «центре тяжести» отрицательных зарядов.

Первую группу диэлектриков (N₂, Н₂, О₂,...) составляют вещества, молекулы которых имеют симметричное строение, т. е. «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают и, следовательно, симметричные молекулы не обладают собственным дипольным моментом. Молекулы таких диэлектриков называются неполярными. Под действием внешнего электрического поля заряды неполярных молекул смещаются в противоположные стороны (положительные по полю, отрицательные против поля) и молекула приобретает дипольный момент. Смещение зарядов пропорционально напряженности поля, поэтому дипольный момент молекулы также пропорционален напряженности поля:

=be₀ ,

где b - поляризуемость молекулы.

Вторую группу диэлектриков (Н₂О, HCl, СО, NH,...) составляют вещества, молекулы которых имеют асимметричное строение, т. е. «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Таким образом, эти молекулы и в отсутствие внешнего электрического поля обладают дипольным моментом. Молекулы таких диэлектриков называются полярными. При отсутствии внешнего поля дипольные моменты полярных молекул вследствие теплового движения ориентированы в пространстве хаотично и их результирующий момент равен нулю. Во внешнем поле на диполи действует ориентирующая вдоль поля сила, и возникает отличный от нуля результирующий момент.

Третью группу диэлектриков (NaCl, КСl, КВг,...) составляют вещества, молекулы которых имеют ионное строение. Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков. В этих кристаллах нельзя выделить отдельные молекулы, а рассматривать их можно как систему двух вдвинутых одна в другую ионных подрешеток. При наложении на ионный кристалл электрического поля происходит некоторая деформация кристаллической решетки или относительное смещение подрешеток, приводящее к возникновению дипольных моментов. Существуют ионные кристаллы, поляризованные даже при отсутствии внешнего поля. Этим же свойством обладают диэлектрики, называемые электретами (они подобны постоянным магнитам).

Таким образом, внесение диэлектрика любой из групп во внешнее электрическое поле приводит к возникновению в нём отличного от нуля результирующего электрического момента, иными словами, к поляризации диэлектрика. Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей или их появления во внешнем электрическом поле.

Соответственно трем группам диэлектриков различают три вида поляризации:

- электронная или деформационная поляризация диэлектрика с неполярными молекулами, заключающаяся в возникновении у атомов индуцированного дипольного момента за счет деформации электронных орбит;

-ориентационная или дипольная поляризация диэлектрика с полярными молекулами, заключающаяся в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул по полю. Естественно, что тепловое движение препятствует полной ориентации молекул, но в результате совместного действия обоих факторов (электрическое поле и тепловое движение) возникает преимущественная ориентация дипольных моментов молекул по полю. Эта ориентация тем сильнее, чем больше напряженность электрического поля и ниже температура;

- ионная поляризация диэлектриков с ионными кристаллическими решетками, заключающаяся в смещении подрешетки положительных ионов вдоль поля, а отрицательных - против поля, приводящем к возникновению дипольных моментов.