Диэлектрики. Поляризация и поляризованность среды. Вектор смещения.

Вторая большая группа веществ, различаемых по их электрич. свойствам ¾ диэлектрики (изоляторы, известные как вещества, не проводящие электрич. ток). К диэлектрикам относятся различные виды пластмасс, стекол, керамики, кристаллы солей, сухая древесина, многие чистые жидкости (дистиллированная вода, масла, бензины), газы, помещённые в не очень сильных внешних полях.

Так как все вещества состоят из электрич. заряжённых частиц, то все вещества взаимодействуют с ЭП. В диэлектрике электроны в «свободном состоянии», составляющие электронный газ в проводнике, практически отсутствуют, поэтому приложение поля не приводит к разделению зарядов. Все заряженные частицы, образующие данное непроводящее вещество, связаны между собой и не способны передвигаться по объему тела.

В диэлектриках под действием ЭП эти связанные заряды м-т, однако, смещаться на незначительное расстояние в пределах атомов или молекул (т.е., величина этого смещения меньше размеров атомов и молекул). Соотв-но, элементы вещества могут рассматриваться как элементарные диполи (с весьма малыми значениями электрич. момента р. Тем не менее, смещения этих диполей, происходящие в условиях приложения ЭП, м-т приводить к весьма заметному следствию, такому как появление индуцированных зарядов. В отличие от проводников, в диэлектриках индуцированные заряды могут возникать как на их поверхности, так и внутри их объема. Явление возникновения зарядов под действием внешнего поля называется поляризацией диэлектрика, а сами возникающие заряды называются поляризационными. Существуют несколько механизмов поляризации диэлектрика, соответственно с которыми различают несколько типов диэлектриков. Два из них можно понять на основе представления об элементарном диполе – электрической системе из двух противоположных, но равных по величине, ЭЗ на нек-ром расстоянии (плече) d.

Диполь во внешнем ЭП. Неск-ко подробнее рассмотрим поведение электрического диполя при действии на него ЭП. Пусть два точечных заряда, находящиеся на фиксированном расстоянии друг от друга, помещены в однородное ЭП. Диполь характеризуют вектором дипольного момента (ДМ): ( рис .9). Со стороны поля на заряды действуют силы , равные по величине и противоположные по направлению. Суммарная сила, действующая на диполь, равна нулю, однако эти силы приложены к различным точкам, поэтому суммарный момент отличен от нуля и равен , где - угол между вектором напряженности ЭП и вектором дипол. момента. Наличие момента силы, приводит к тому, что ДМ системы двух ЭЗ стремится повернуться по направлению вектора ЭП.

Образующие вещество молекулы, как правило, из-за относит. смещения зарядов внутри молекулы способны иметь ДМ. Величина этого ДМ сложным образом зависит от напряженности внешнего поля. Однако в полях, слабых по сравнению с внутриатомными полями, величина ДМ, наводимого в молекуле приложенным извне полем, оказывается пропорциональной напряженности внешн. поля Здесь коэффициент пропорциональности называется поляризуемостью молекулы. Весь объём диэлектрика в целом может характеризоваться нек-рым суммарным ДМ. Величина суммарного ДМ может служить характеристикой степени поляризации диэлектрика. Однако более удобно ввести «точечную» характеристику воздействия электрического поля на диэлектрик. Для этого внутри диэлектрика небольшой объем индуцированный ДМ этого объема равен сумме ДМ отдельных молекул, находящихся внутри рассматриваемого объема отношение этого дипол. момента к объему называют поляризованностью (вектором электрич. поляризации диэлектрика

Возможны неск-ко механизмов поляризации в диэлектриках. Особо выделяют ориентационную поляризацию. Такая поляризация эффективна в полярных диэлектриках – в их атомах положительный заряд (ядро) и отрицательный заряд (электроны оболочек) образуют полюса – смещены один относит-но другого. Такие атомы (или молекулы) и рассматриваются как элементарные диполи. В условиях поля, приложенного к образцу такого материала, микродиполи ориентируются в направлении поля. Этой ориентации в той или иной мере препятствует тепловое движение ¾ при повышении температуры поляризованность таких диэлектриков снижается - возрастает температурный « случайный » разброс ДМ молекул.

Электронный механизм поляризации проявляется в неполярных диэлектриках, там в отсутствие приложенного извне поля атомы (молекулы) не имеют дипольного момента ¾ центры положит. и отрицат. ЭЗ совпадают. При наложении внешнего ЭСП эти центры способны, однако, относит-но смещаться - поляризоваться. Объём диэлектрика приобретает поляризованность, характеризуемую вектором В случае как электронной, так и ориентационной поляризации, для относит-но слабых полей связана с напряжённостью так: (здесь c - коэффициент, именуемый диэлектрич. восприимчивостью). Электронная поляризация слабее ориентационной. Существует ионная поляризация – в кристаллах, решетка к-рых формируется из ионов с разными знаками ЭЗ; под действием поля извне подрешётки с ионами разных знаков ЭЗ м-т относит-но смещаться.

Итак, вектором Р определяется внутреннее поле, индуцированное внутри диэлектрика. Для разделения вкладов в напряженность поля внутри диэлектрика пришедшего извне приложенного поля и поля, создаваемого поляризацией, вводят вектор смещения, выражаемый как В случае сравнительно слабых полей с учетом (5) записывают здесь относительная диэлектрич. проницаемость. Для вектора D ( его ещё называют вектором электрической индукции) записывают теорему Гаусса: Соотношение (6) означает, что силовые линии вектора смещения начинаются и заканчиваются на свободных зарядах – источником поля смещения являются свободные заряды.