Диэлектрики в ЭП

2. Диэлектрики в ЭП

Диэлектриками называют вещества, не имеющие свободных электрических зарядов, способных перемещаться по его объёму.

Диэлектрик состоит из электрически нейтральных в целом атомов или молекул; электрически заряженные частицы (электроны и ядра) в атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием поля по всему объёму вещества.

Различают следующие виды диэлектриков:

Ø неполярные диэлектрики. Состоят из атомов или молекул, центры распределения положительных и отрицательных зарядов которых совпадают. Неполярными диэлектриками являются, например, парафин, бензол, полиэтилен, газы (азот, кислород, водород и др.), инертные газы.

Ø полярные диэлектрики. Состоят из атомов или молекул, центры распределения положительных и отрицательных зарядов которых не совпадают; молекулы их представляют собой микроскопические электрические диполи. К ним относятся, например, спирты, вода, H₂S, NO₂ др.

Ø кристаллические диэлектрики. Представляют собой кристаллы с ионной структурой. Кристаллическую решётку таких веществ рассматривают как две подрешётки (в узлах одной из них располагаются положительные ионы, в другой – отрицательные), как бы вложенные друг в друга. К ним относится, например, соль NaCl.

В отсутствие внешнего электрического поля ( ) любой мысленно выделенный в диэлектрике достаточно малый объём является электрически нейтральным.

Помещение диэлектрика (любого из названных выше видов) во внешнее электростатическое поле приводит к перераспределению электрических зарядов, входящих в состав атомов или молекул, в результате чего на поверхности диэлектрика появляются избыточные нескомпенсированные связанные заряды. Отметим, что при этом все заряженные частицы, образующие макроскопические поверхностные связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов. Связанные заряды создают внутри диэлектрика индуцированное поле . Говорят, диэлектрик во внешнем поле поляризуется. (См. рис. 4.2 – 4.4).

Рассмотрим механизмы поляризации диэлектриков (табл.4.1).

Таблица 4.1

Электронная поляризация	Дипольная (ориентационная) поляризация	Ионная поляризация
Характерна для неполярных диэлектриков	Характерна для полярных диэлектриков	Характерна для кристаллических диэлектриков
Под действием внешнего электрического поля ( )
положительные и отрицательные заряды в атоме (молекуле) (см. рис. 4.2а) смещаются в противоположных направлениях. Каждый атом (молекула) превращается в диполь, ось которого направлена вдоль внешнего поля (см. рис. 4.2б).	микроскопические молекулярные диполи ориентируются в нём, располагаясь вдоль силовых линий (см. рис. 4.3).	происходит смещение положительных и отрицательных ионов (т.е. подрешёток) относительно узлов кристаллической решётки диэлектрика (см. рис. 4.4).
Время установления равновесия (время релаксации) зарядов на поверхности диэлектрика
с	с	с

рис. 4.2а

рис. 4.2б

условно диполь будем изображать следующим образом:

Рис. 4.3

рис. 4.4

В результате поляризации (для любого её механизма, табл. 4.1) полное ЭП внутри однородного диэлектрика ( )оказывается по модулю меньше внешнего поля.

Т.о., индуцированное внутри диэлектрика поле ослабляет внешнее электрическое поле (поле в вакууме). Степень этого ослабления зависит от свойств диэлектрика. Уменьшение напряжённости электростатического в веществе (диэлектрике) по сравнению с напряжённостью электрического поля в вакууме характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью среды. Дадим её определение.

Относительной диэлектрической проницаемостью среды (

) называют физическую величину, являющуюся характеристикой электрических свойств среды и определяемую отношением величины напряжённости внешнего электрического поля в вакууме

к величине напряжённости

полного поля в однородном диэлектрике

(4.1) и показывающую во сколько раз напряжённость электрического поля внутри диэлектрика меньше напряжённости внешнего поля в вакууме.

Очевидно, что .

Замечания.

1. Явление возникновения на поверхности диэлектрика, внесённого в электрическое поле, нескомпенсированных поверхностных связанных зарядов называют поляризацией диэлектрика.

2. Отметим, что механизм электронной поляризации является универсальным (т.е. сопровождает любой из названных её видов), поскольку деформация электронных оболочек под действием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика.

3. В отличие от металлов, экранирующих электростатическое поле, через диэлектрические среды оно проникает.

4. Утверждение о том, что электрическое поле в диэлектрике в раз меньше по величине по сравнению с внешним полем (4.1), строго справедливо только в случае однородного диэлектрика, заполняющего всё пространство, в котором создано внешнее поле (что и подчёркивается в определении диэлектрической проницаемости). В частности, если в однородном диэлектрике (среде) с диэлектрической проницаемостью находится точечный заряд , то напряжённость поля , создаваемого этим зарядом в некоторой точке, и его потенциал в этой точке в раз меньше, чем в вакууме, то

и .

Сравните записанные выше формулы с рассмотренными нами ранее в §1 и§2.

⇐ Предыдущая 12