Поляризация диэлектриков

По электрическим свойствам все вещества делятся на три больших класса: диэлектрики, полупроводники и проводники. К проводникам относятся: металлы (проводимость осуществляется свободными электронами), электролиты (проводимость осуществляется ионами и сопровождается переносом вещества), плазма (носителями тока являются свободные электроны, а также положительные и отрицательные ионы).

Рассмотри твердые металлы. В металлических проводниках концентрация свободных электронов порядка 10²⁸ м^–3. Носители заряда в проводнике способны перемещаться под действием сколь угодно малой силы. Поэтому для равновесия заря­дов на проводнике необходимо выполнение следующих условий:

• на­пряженность поля всюду внутри проводника должна быть равна нулю (Е = 0), т. е. потенциал внутри проводника j= const;

• напряженность поля на поверхности проводника должна быть в каждой точке направлена по нормали к поверхности (Е = Е₀).

Следовательно, в случае равновесия зарядов поверхность проводника эквипотенциальна. Если проводнику сообщить некоторый заряд q, то он распределится по внешней поверхности проводника. При внесении незаряженно­го проводника в электрическое поле носители заряда приходят в движе­ние: положительные — в направлении вектора , отрицательные – в противоположную сторону (рис.13.1). В результате у концов проводника возникают заряды противоположного знака, называемые индуцированными заряда­ми. Поле этих зарядов направлено противоположно внешнему полю . Пе­рераспределение носителей заряда происходит до тех пор, пока напряженность поля внутри проводника не будет равна нулю, а линии напряженности вне проводника перпендикулярны его поверхности. (Вследствие принципа суперпозиции: , , но Þ ). Таким образом, нейтральный про­водник, внесенный в электрическое поле, раз­рывает часть линий напряженности. Индуци­рованные заряды распределяются по внешней поверхности проводника. Если внутри провод­ника имеется полость, то при равновесном ин­дуцированном распределении зарядов напряженность поля внутри полос­ти равна нулю. Индуцированные заряды исчезают при удалении провод­ника из электрического поля.

Идеальный диэлектрик тот, который не проводит электрический ток. У диэлектриков нет свободных электронов, но положительные и отрицательные заряды в атомах смещаются друг относительно друга, то есть образуют диполь с электрическим моментом . В отсутствии поля эти диполи ориентированы произвольным образом, то есть суммарный дипольный момент равен нулю: . Если диэлектрик поместить во внешнее поле с напряженностью , тогда диполи ориентируются в этом поле. Такое состояние диэлектрика называется поляризацией. Поляризация диэлектрика приводит к появле­нию связанных зарядов s_св, на его поверхности. Напряженность электростатического поля, созда­ваемого связанными зарядами, направлена противопо­ложно напряженности внешнего, поляризующего ди­электрик электростатического поля (рис.). Напря­женность суммарного поля внутри диэлектрика равна: Þ . Но Þ .

Степень поляризации диэлектрика характеризуется векторной вели­чиной Р, называемой поляризованностью, т. е. векторной суммой дипольных моментов молекул, находящихся в единице объема:

где – дипольный момент отдельно взятой молекулы, п – концентрация атомов или молекул в объеме V.

Единица поляризованности – кулон на квадратный метр (Кл/м²). Для изотропного диэлектрика поляризованность пропорциональна напряженности поля внутри него: (1)

где c – диэлектрическая восприимчивость диэлектрика, зависящая от строения вещества и температуры, величина безразмерная. Она отражает степень реакции среды на внешнее воздействие электрического поля.

Поляризованность направлена вдоль внешнего электростатического поля Е₀, в котором находится диэлектрик.

Вектор электрического смещения для диэлектрика: .

Подставим сюда (1):

где – относительная диэлектрическая проницаемость среды. Þ относительная диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз напряженность поля в вакууме больше, чем в диэлектрике. Эта величина безразмерная.