Т. Диэлектрики

Диэлектрики в электростатическом поле. Механизм поляризации диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость

Электризация проводников и диэлектриков во внешнем электрическом поле существенно отличается друг от друга: индуцированные заряды на поверхности проводников возникают в результате перемещения свободных зарядов во внешнем поле, в то время как в диэлектрике нет свободных зарядов, способных перемещаться под действием поля.

Электризацию диэлектриков называют поляризацией. Механизм ее заключается в перераспределении зарядов внутри нейтральных атомов и молекул под действием поля, либо в поворотах диполей в полярных диэлектриках, либо смещением подрешеток в пространстве в кристаллическом диэлектрике. Дело в том, что кристаллические решетки многих ионных диэлектриков типа NaCl можно считать состоящими из двух вставленных одна в другую подрешеток, каждая из которых образована ионами одного знака. Во внешнем электрическом поле и происходит смещение этих подрешеток.

Все диэлектрики можно условно разделить на три группы: полярные, неполярные и ионные.

Неполярные диэлектрики состоят из атомов и молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов (рис. 1, б) совпадают (инертные газы, кислород, бензол, водород и др.).

Рис. 1

Полярные диэлектрики состоят из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают (рис. 1, а) (спирт, вода и др.). В качестве модели молекулы полярного диэлектрика используются электрические диполи — система двух равных по модулю и противоположных по знаку точечных зарядов, находящихся на расстоянии l друг от друга (рис. 2, а). Тепловое движение молекул приводит к хаотической ориентации диполей. Из-за этого на поверхности диэлектрика, а также и в любом его объеме, содержащем большое число молекул (рис. 3, а), электрический заряд в среднем равен нулю.

Рис. 2

Поместим теперь диэлектрик в однородное электростатическое поле между двумя параллельными металлическими пластинами. Со стороны поля на каждый электрический диполь будут действовать две силы, одинаковые по модулю и противоположные по направлению (рис. 2, б). Они создают момент пары сил, стремящийся повернуть диполь так, чтобы ось его была направлена по линиям напряженности поля (рис. 2, в). Положительные заряды смещаются при этом в направлении электростатического поля, а отрицательные — в противоположную сторону.

Рис. 3

Хаотическое тепловое движение молекул препятствует созданию упорядоченной ориентации всех диполей. Только при абсолютном нуле все диполи выстроились бы вдоль линий напряженности. Под влиянием поля происходит лишь частичная ориентация электрических диполей. Это означает, что в среднем число диполей, ориентированных вдоль поля, больше, чем число диполей, ориентированных противоположно полю. На рис. 3, б видно: у положительной пластины на поверхности диэлектрика появляются преимущественно отрицательные заряды диполей, а у отрицательно заряженной — положительные. В результате на поверхности диэлектрика возникает нескомпенсированный связанный заряд. Внутри диэлектрика положительные и отрицательные заряды диполей компенсируют друг друга и средний связанный электрический заряд по-прежнему равен нулю.

Неполярный диэлектрик в электрическом поле также поляризуется. Под действием поля положительные и отрицательные заряды молекулы смещаются в противоположные стороны и центры распределения положительного и отрицательного зарядов перестают совпадать, как и у полярной молекулы. Такие деформированные молекулы можно рассматривать как электрические диполи, оси которых направлены вдоль поля. На поверхностях диэлектрика, примыкающих к заряженным пластинам, появляются связанные заряды, как и при поляризации полярного диэлектрика.

Рис. 4

Связанный заряд создает электростатическое поле напряженностью \(~\vec E_1\), направленной в диэлектрике против напряженности внешнего поля зарядов на пластинах (рис. 4). Поэтому поле внутри диэлектрика ослабляется. Напряженность результирующего электростатического поля

\(~\vec E = \vec E_0 + \vec E_1\) или \(~E = E_0 - E_1 .\)

Степень ослабления поля зависит от свойств диэлектрика. Для характеристики электрических свойств диэлектриков вводится особая величина, называемая диэлектрической проницаемостью.

Диэлектрическая проницаемость ε — это физическая величина, показывающая, во сколько раз модуль напряженности электростатического поля Ε внутри однородного диэлектрика меньше модуля напряженности поля E₀ в вакууме, созданного теми же зарядами:

\(~\varepsilon = \frac{E_0}{E} .\)

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 238-240.