Поляризованность. Напряженность поля в диэлектрике

При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле он поляризуется. Для количественного описания поляризации диэлектрика пользуются векторной величиной – поляризованностью, определяемой как дипольный момент единицы объема диэлектрика – (1). Для большого класса диэлектриков поляризованность Р линейно зависит от напряженности поля Е – (2), где χ – диэлектрическая восприимчивость вещества. Внесем в однородное внешнее электрическое поле Е₀ пластинку из однородного диэлектрика. Под действием поля диэлектрик поляризуется. В результате этого на правой грани диэлектрика, обращенного к отрицательной плоскости, будет избыток положительного заряда, на левой — отрицательного заряда. Эти нескомпенсированные заряды называются связанными. Вне диэлектрика Е = Е ₀. Результирующее поле внутри диэлектрика – (3). Полный дипольный момент пластинки диэлектрика p_V =PV = PSd, с другой стороны, р_V = s' Sd. Таким образом, PSd= s' Sd, или (4).

(1) (2) (3) (4) (5) (6)

Подставив в (3) выражения (4) и (2), получим (5), откуда напряженность результирующего поля внутри диэлектрика равна (6).

Электрическое смещение. Теореме Гаусса для электростатического поля в диэлектрике

Вектор напряженности Е, переходя через границу диэлектриков, претерпевает скачкообразное изменение. Поэтому оказалось необходимым помимо вектора напряженности характеризовать поле еще вектором электрического смещения, который для электрически изотропной среды, по определению, равен (1). Единица электрического смещения – кулон на метр в квадрате (Кл/м²).

(1) (2) (3)

Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике – (2), т. е. поток вектора смещения электростатического поля в диэлектрике сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности свободных электрических зарядов. Так как источниками поля Е в среде являются как свободные, так и связанные заряды, то теорему Гаусса для поля Е в самом общем виде можно записать как (3).

Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектрики – диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур спонтанной поляризованностью. При отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрик представляет собой мозаикуиз доменов – областей с различными направлениями поляризованности. Так как в смежных доменах эти направления различны, то в целом дипольный момент диэлектрика равен нулю. При внесении сегнетоэлектрика во внешнее поле происходит переориентация дипольных моментов доменов по полю, а возникшее электрическое поле доменов будет поддерживать их ориентацию и после прекращения действия внешнего поля. Сегнетоэлектрические свойства сильно зависят от температуры. Для каждого сегнетоэлектрика имеется определенная температура, выше которой его свойства исчезают. Эта температура называется точкой Кюри. Для сегнетоэлектриков связь между векторами поляризованности (Р) и напряженности (Е) нелинейная и зависит от значений Е в предшествующие моменты времени. В сегнетоэлектриках наблюдается явление диэлектрического гистерезиса («запаздывания»). С увеличением напряженности Е внешнего электрического поля поляризованность Р растет, достигая насыщения. При Е= 0 сегнетоэлектрик сохраняет остаточную поляризованность Р ₀, т.е. сегнетоэлектрик остается поляризованным в отсутствие внешнего электрического поля. Чтобы уничтожить остаточную поляризованность, надо приложить электрическое поле обратного направления (— E _с). Величина Е _c называется коэрцитивной силой.