Reklama

Диэлектрик в электрическом поле. Поляризация диэлектрика

Выясним, что происходит в диэлектрике, когда он попадает в электрическое поле. Как известно, в диэлектрике отсутствуют свободные носители зарядов. Все электрические заряды диэлектрика входят в состав его молекул и могут смещаться лишь на очень малые расстояния; в пределах молекулы или атома.

Поскольку диэлектрик уменьшает силу взаимодействия зарядов, т. е. ослабляет электрическое поле, то можно заключить, что смещение зарядов внутри молекул диэлектрика действительно происходит. Выясним механизм этого явления.

IMG_20141001_0003_crСначала представим себе атом, диаметр ядра которого имеет размер порядка 10-15 м. Тогда его электронное облако (в первом приближении предположим, что оно сферическое) будет иметь радиус порядка 10-10 м. Из сравнения размеров ядра и электронного облака видно, что ядро атома вполне можно принять за точку, которая находится в центре облака. Если этот атом попадет в электрическое поле с напряженностью Е, то облако сместится против направления Е на некоторое расстояние lотносительно ядра (рис. 15.19).

Поскольку ядро в несколько тысяч раз массивнее электрона, α-последний движется в атоме с очень большой скоростью (порядка 106 м/с), ядро реагирует только на среднюю силу притяжения к электронам в атоме. Поэтому можно считать, что весь отрицательный заряд облака сосредоточен в его центре, а весь атом, находящийся в электрическом поле, можно уподобить системе двух равных по величине и противоположных по знаку зарядов q=Ze, которые расположены на расстоянии l. Такую систему называют диполем. Следовательно, когда атом попадает во внешнее электрическое поле, то он превращается в электрический диполь, который создает свое электрическое поле, ослабляющее внешнее поле в диэлектрике (рис. 15.20).

Произведение рЭЛ=lqназывается электрическим моментом диполя. Электрический момент рЭЛ есть вектор, направленный вдоль l от отрицательного заряда к положительному (рнс. 15.21), модуль которого определяется соотношение:

рЭЛ=lq, (15.15)

Оказывается, что электрический момент молекул, обусловленный смещением электронных облаков относительно ядер, прямо пропорционален напряженности поля Е, т. е.

рЭЛ=αE, (15.16)

(α называется электронной поляризуемостью молекулы). Тогда чем больше напряженность внешнего поля Е, тем больше становятся электрические моменты диполей в диэлектрике. При этом все векторы электрических моментов молекул диэлектрика оказываются направленными параллельно Е. Такой диэлектрик называется поляризованным, а его диполи называются мягким и, так как их длина l зависит от Е.

IMG_20141001_00032_crПоляризация диэлектрика, обусловленная смещением электронных облаков в молекулах относительно ядер, называется электронной поляризацией. Она наблюдается в любом диэлектрике и интересна тем, что не зависит от температуры.

Если в молекуле нет центра симметрии, то она обладает собственным электрическим моментом и при отсутствии поля в диэлектрике (рис. 15.22). Поскольку атомы в такой молекуле жестко связаны, можно считать, что ее электрический момент не зависит от внешнего поля в диэлектрике. Такие диполи принято называть жесткими. На рис. 15.22 изображены две возможные конфигурации молекулы типа А2В: α — неполярная молекула, результирующий дипольный момент равен нулю, б — полярная молекула, результирующий дипольный момент определяется векторной суммой дипольных моментов отдельных связей. Природными диполями являются, например, молекулы воды, в которых атомы расположены, как на рис. 15.22, б (связи ОН образуют угол 105°).

В отсутствие внешнего поля природные диполи расположены хаотически, поэтому их поля взаимно скомпенсированы. Однако если внести такой диэлектрик во внешнее поле, то на каждый диполь будет действовать пара сил (рис. 15.23, а). Поэтому жесткие диполи поворачиваются, а в сильном поле даже выстраиваются цепочками вдоль линий напряженности поля (рис. 15.23, б). Диполи при этом создают собственное поле (рис. 15.23, в), ослабляющее внешнее поле в диэлектрике. Это явление называется ориентационной или дипольной поляризацией диэлектрика. Легко сообразить, что ориентационная поляризация должна уменьшаться при повышении температуры диэлектрика, так как хаотическое движение диполей нарушает их упорядоченное расположение в поляризованном диэлектрике.

IMG_20141001_0004_crВ кристаллических диэлектриках, имеющих ионное строение, наблюдается еще и третий тип поляризации. Под влиянием внешнего поля положительные ионы диэлектрика смещаются по направлению вектора напряженности, а отрицательные ионы — в обратную сторону. Такое явление называется ионной поляризацией диэлектрика.

На рис. 15.23, б видно, что разноименно заряженные концы соседних диполей должны взаимно нейтрализовать свои воздействия на другие заряды. Нескомпенсированными остаются только заряды на концах диполей, выступающих на поверхность диэлектрика. При этом с той стороны, где линии напряженности внешнего поля входят в диэлектрик, находятся отрицательные заряды диполей, а на противоположном конце — положительные заряды. Все заряды на поверхности поляризованного диэлектрика являются связанными, т. е. входят в состав молекул. Их называют поляризационными зарядами. Все влияние поляризованного диэлектрика на электрическое поле сводится к действию только его поляризационных зарядов. Это справедливо для всех типов поляризации.

Поле внутри диэлектрика, созданное его поляризационными зарядами, направлено навстречу внешнему полю (рис. 15.23, в), т. е. ослабляет внешнее поле, но полностью не уничтожает его (сравните с проводником). Отличие от проводника здесь проявляется еще I! в том, что, разделяя поляризованный диэлектрик на части, нельзя отделить положительные заряды от отрицательных. На противоположных сторонах каждой части поляризованного диэлектрика при этом всегда остаются заряды различных знаков. Это доказывает, что поляризационные заряды диэлектрика действительно являются связанными, т. е. входят в состав диполей.

IMG_201410201_0004_crОслабление поля в диэлектрике, обусловленное его поляризацией, объясняет влияние диэлектрика на силу взаимодействия между наэлектризованными телами. Действительно, если два заряда q1 и q2 поместить в диэлектрик, то он поляризуется и вокруг зарядов q1 и q2 появляются поляризационные заряды, что равноценно уменьшению зарядов q1 и q2 (рис. 15.24), а значит, и силы их взаимодействия.

Теперь становится понятным, почему сила взаимодействия между зарядами имеет наибольшую величину в вакууме и почему в формулу закона Кулона входит диэлектрическая проницаемость среды.

Отметим, что при достаточно большом значении напряженности электрического поля в диэлектрике может происходить разрушение его диполей. При этом внутри диэлектрика появляются свободные заряды, которые при своем движении вызывают механическое разрушение диэлектрика. Такое явление называется пробоем диэлектрика. Примером пробоя может служить электрический разряд в виде молнии во время грозы.

Reklama