Діелектрики в електричному полі

У провідниках електричні заряди можуть вільно переміщатися під дією поля. Діелектриком є будь-яке середовище (газ, рідина чи тверде тіло), в якому тривалий час може існувати електричне поле. На відміну від провідників, в діелектриках відсутні вільні електричні заряди.

У діелектрику зовнішнє електричне поле викликає поляризацію атомів, молекул або іонів. Під поляризацією діелектриків розуміють таку зміну стану речовини, за якої довільний елемент її об’єму в зовнішньому електричному полі отримує електричний дипольний момент.

Полярізація діелектриків

Розрізняють поляризацію діелектриків, яка виникає під дією зовнішнього електричного поля (і зникаючу після його видалення), а також мимовільну (спонтанну) поляризацію. Існує група матеріалів (сегнетоелектриків), у яких містяться мимовільні поляризовані області (домени). Якщо сегнетоелектрик розмістити в зовнішньому електричному полі, то відбувається переорієнтація доменів. Сегнетоелектрики мають велику діелектричну проникливість; вони знайшли широке застосування в різних електротехнічних пристроях (конденсатори, телефонний зв’язок тощо).

Поляризація інших діелектриків здійснюється лише під дією зовнішнього електричного поля. При цьому розрізняють три види поляризації: електронну, іонну та дипольну.

Електронна поляризація

Поляризація інших діелектриків здійснюється лише під дією зовнішнього електричного поля. При цьому розрізняють три види поляризації: електронну, іонну та дипольну. Якщо атом знаходиться у зовнішньому електричному полі, то під дією цього поля електронні оболонки атомів зсуваються щодо ядра. Виникає електронна поляризація.

У разі вимикання зовнішнього електричного поля електронна поляризація майже миттєво зникає (за 10–16 с). Зсув електронних оболонок призводить до утворення дипольного моменту в окремому атомі, оскільки «центри тяжіння» позитивного й негативного зарядів атома зміщуються. Зсув електронних оболонок у всіх атомах відбувається в одному напрямку. Це означає, що дипольні моменти, які утворюються, будуть однаково орієнтовні в просторі. Порушення орієнтації дипольних моментів атомів (молекул) відбуватиметься лише в зв’язку з їх невпорядкованим тепловим рухом.

Іонна поляризація

Іонна поляризація відбувається в іонних кристалах, у яких зовнішнє електричне поле викликає пружні зміщення іонів з їх рівноважних положень у кристалічній решітці. Ці зміщення можуть відбуватися так само миттєво, як і за електронної поляризації. Оскільки за теплового розширення кристала сили взаємодії між іонами слабшають, то іонна поляризація зазвичай зростає за збільшення температури.

Дипольна поляризація

Дипольна поляризація зумовлена тим, що «центри тяжіння» позитивного й негативного зарядів молекул деяких речовин зміщені відносно одне до одного, й кожна молекула має свій дипольний момент:

де q — заряд (позитивний або негативний); l — відстань між «центрами тяжіння» зарядів.

Вектори дипольних моментів окремих молекул у звичайному стані через тепловий рух орієнтовані хаотично, тому за відсутності зовнішнього електричного поля самі дипольні молекули не можуть утворювати всередині власне електричне поле, і сумарний дипольний момент діелектрика дорівнюватиме нулю.

У разі внесення дипольного діелектрика в електричне поле, яке орієнтує дипольні моменти окремих молекул, діелектрик набуває визначеного макроскопічного дипольного моменту. У разі усунення зовнішнього електричного поля макроскопічний дипольний момент діелектрика «руйнується» внаслідок хаотичного теплового руху молекул.

За міру поляризації діелектрика приймаються вектор поляризації p, що дорівнює відношенню дипольного електричного моменту діелектрика до його об’єму:

(3.29)

де i p — вектор дипольного моменту молекули; n — кількість дипольних молекул, що містяться в об’ємі діелектрика. Вектор p прямо пропорційний напруженості зовнішнього електричного поля E:

(3.30)

де Η — коефіцієнт пропорційності, який називають діелектричною сприйнятливістю діелектрика.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *