Діелектрики. Поляризація діелектриків

Друга велика група речовин, що розрізняються за їх електричним властивостям – діелектрики (ізолятори), речовини, що не проводять електричний струм. До діелектриків відносяться різні види пластмас, стекол, кераміки, кристали солей, суха деревина, багато чисті рідини (дистильована вода, масла, бензини), гази при не дуже сильних зовнішніх полях. Всі заряджені частинки, що утворюють дане непроводящее речовина, пов’язані між собою і не здатні пересуватися за обсягом тіла.

Зауважимо, що різкої межі між провідниками і ізоляторами немає, тому що всі речовини в тій чи іншій мірі здатні проводити електричний струм, однак, у багатьох випадках слабкою провідністю речовин можна знехтувати і вважати їх ідеальними ізоляторами. Можливість такого наближення необхідно розглядати в кожному конкретному випадку окремо. Зауважимо, що багато в чому застосовність моделі ідеального ізолятора визначається часом протікання розглянутих процесів, більш докладно ця проблема буде розглянута пізніше.

Так як всі речовини складаються з електрично заряджених частинок, то всі речовини взаємодіють з електричним полем. У діелектриках під дією електричного поля заряди можуть зміщуватися на незначну відстань, величина цього зміщення менше розмірів атомів і молекул. Тим не менш, ці зсуви можуть приводити до дуже помітним наслідків, таки як поява індукованих зарядів. На відміну від провідників, в діелектриках індуковані заряди можуть виникати як на їх поверхні, так і всередині їх обсягу. Явище виникнення зарядів під дією зовнішнього поля називається поляризацією діелектрика, а самі виникають заряди називаються поляризаційними.

Існують декілька механізмів поляризації діелектрика, відповідно з якими розрізняють кілька типів діелектриків, деякі з них ми зараз коротко розгляньмо.

Неполярні діелектрики. До цього класу діелектриків відносяться речовини, що складаються з атомів і молекул, що не володіють власними дипольними моментами у відсутності поля. Типовими прикладами таких речовин є одноатомні благородні гази; гази, що складаються з симетричних двоатомних молекул – кисень, водень, азот; різні органічні рідини масла, бензини; з твердих тіл – пластмаси.

У молекулах цих речовин центри позитивних зарядів ядер і негативних зарядів електронних хмар збігаються (рис. 258). Під дією зовнішнього електричного поля відбувається незначне зміщення центрів цих зарядів, завдяки чому кожен атом набуває індукований дипольний момент, напрямок якого збігається з напрямком зовнішнього прикладеного електричного поля. Величина цього дипольного моменту складним чином залежить від напруженості зовнішнього поля. Однак в полях слабких у порівнянні з внутріатомними полями величина індукованого дипольного моменту виявляється пропорційною напруженості зовнішнього поля

p⃗ = αε0E⃗ p → = αε0E →,
де коефіцієнт пропорційності α називається полярізуємостью молекули.

Справедливість такого запису обгрунтовується малістю зміщення центрів позитивних і негативних зарядів, а на малих змінах будь-яка функція може бути наближено замінена на лінійну.

Завдання для самостійної роботи.

Оцініть напруженість електричного поля всередині атома водню.
Так як кожна молекула набуває дипольний момент то і весь діелектрик в цілому набуває дипольний момент. Величина цього дипольного моменту може служити характеристикою ступеня поляризації діелектрика. Однак більш зручно ввести «точкову» характеристику впливу електричного поля на діелектрик. Для цього всередині діелектрика невеликий обсяг ΔV, індукований дипольний момент цього обсягу дорівнює сумі дипольних моментів окремих молекул, що знаходяться всередині розглянутого обсягу Σip⃗ i Σip → i, ставлення цього дипольного моменту до обсягу називається поляризацією [1] (вектором поляризації) діелектрика

Формально з порівняння формул (1) і (2) випливає, що поляризованість речовини пов’язана з полярізуємостью окремої молекули співвідношенням χ = αnχ = αn, (де n – число молекул в одиниці об’єму, тобто концентрація). Однак таке просте співвідношення справедливо тільки для розріджених газів, де можна знехтувати взаємодією молекул. У рідких і твердих тілах кожна молекула знаходиться в полі, яке створюється не тільки зовнішніми джерелами, але дипольними моментами інших молекул. Іншими словами – та ж «заклиненому» завдання, тільки ще в більш складній постановці.

Завдання для самостійної роботи.

Вважаючи, що поляризованість молекули дорівнює її обсягом оціните поляризованість молекул газів. Оцініть також поляризованість повітря при нормальних умовах. Для проведення оцінок прийміть, що діаметр молекули приблизно дорівнює 1 ангстрем.
Полярні діелектрики. Деякі молекули володіють власним дипольним моментом навіть у відсутності зовнішнього електричного поля. Такі молекули називаються полярними, а діелектрики, утворені такими молекулами – полярними. Полярні молекули несиметричні, електронні щільності в них зміщені до одного з атомів.

Механізм поляризації полярних діелектриків інший, ніж неполярних. У відсутність зовнішнього поля дипольні моменти молекул орієнтовані хаотично, тому в будь-якому обсязі діелектрика, що містить досить багато молекул, сумарний дипольний момент дорівнює нулю. У зовнішньому електричному полі на молекули діє обертаючий момент, тому молекули починають орієнтуватися, так, що вектор дипольного моменту вибудовується уздовж вектора напруженості зовнішнього поля (рис. 260). Тим самим діелектрик і кожна його частина набуває індукований дипольний момент. Такий механізм поляризації називається орієнтаційний. Повної орієнтації всіх молекул перешкоджає хаотичний тепловий рух, тому молекули діелектрика лише частково орієнтуються по зовнішньому полю.

Зрозуміло, що в дуже сильних полях переважна частина молекул вишикується уздовж вектора напруженості зовнішнього поля. Однак при кімнатних температурах ступінь орієнтації молекул є незначною, тому і в разі полярних діелектриків можна наближено вважати, що вектор поляризації діелектрика пропорційний напруженості електричного поля

P⃗ = χε0E⃗ P → = χε0E →.
Відзначимо, що поляризованість полярних діелектриків на кілька порядків перевищує поляризуемость неполярних.

Зауважимо, що індукційний механізм поляризації присутній і в полярних діелектриках. Тобто під дією електричного поля відбувається зміщення зарядів в молекулах, однак ефект орієнтації на кілька порядків перевершує індукційний ефект, тому останнім часто нехтують.

Завдання для самостійної роботи.

Поясніть, чому поляризуемость полярних діелектриків залежить від температури, а неполярних практично немає. Як поводиться поляризуемость полярних діелектриків з зростанням температури?
Електрети. Цікавий клас речовин утворюють діелектрики, здатні тривалий час зберігати наелектризоване стан і створюють власне електричне поле в навколишньому просторі. Такі речовини називаються Електрети, вони аналогічні постійним магнітів, що зберігає стан намагніченості.

Стабільні електрети можна отримати, нагріваючи діелектрик до температури плавлення, а потім охолоджуючи їх в сильному електричному полі. У рідкому стані полярні молекул, що знаходяться в електричному полі, орієнтуються, при твердінні рухливість молекул зникає, тому орієнтований стан молекул може зберігатися тривалий час. Виготовляють електрети з органічних (віск, парафін, нафталін, ебоніт) і неорганічних (сірка, деякі види стекол) полярних діелектриків. Перші електрети були виготовлені на початку XIX століття італійським фізиком А. Вольта.

Посилання на основну публікацію