Поляризація діелектриків

Провідники та діелектрики

Розглянемо електричні властивості твердих тіл. Всі тіла складаються з атомів, які, в свою чергу, мають у своєму складі електрично заряджені частки - електрони та протони. В цілому, кожне тіло в нормальному стані електрично нейтральне, оскільки сума негативних зарядів дорівнює сумі позитивних. Ця рівновага порушується при заряджанні тіла.

Заряди всередині тіла поділяються на вільні і зв’язані. Вільні заряди можуть пересуватись вздовж тіла, зв’язані – фіксовані в певній ділянці простору.

В залежності від концентрації вільних зарядів тверді тіла поділяються на провідники, діелектрики та напівпровідники.

Провідники – це матеріали з високою концентрацією вільних зарядів.

Діелектрики – це матеріали, в яких вільні заряди практично відсутні.

Напівпровідники – займають проміжне положення між провідниками та діелектриками.

Слід сказати, що існує не лише кількісна, але й принципова різниця між провідниками та напівпровідниками, яка буде розглянута у відповідному розділі даного курсу фізики.

Типовими прикладами провідників є метали; діелектриків – скло, пластмаси; напівпровідників – кремній, германій.

Поляризація діелектриків

Розглянемо більш детально електричне поле в діелектриках. Діелектрики складаються з молекул, і кожна молекула має в своєму складі рівні за величиною позитивний та негативний заряди. В цілому, молекула електрично нейтральна. Але якщо її позитивний та негативний заряди просторово зміщені один відносно одного, то молекула утворює електричний диполь (Рис. 1.2).

Електричний диполь – це два точкові заряди, однакові за величиною та протилежні за знаком, розміщені на певній відстані, яка називається плечем диполя.

Електричний диполь створює в навколишньому просторі електричне поле складної конфігурації, яке, згідно з принципом суперпозиції, є взаємонакладенням електричних полів позитивного та негативного зарядів.

Електричні властивості диполя визначаються його дипольним моментом:

,

(3.2.1)

де Q – величина заряду (позитивного або негативного), – плече диполя (вектор, проведений від негативного до позитивного заряду).

Якщо заряди, що утворюють диполь, не можна вважати точковими, ефективний дипольний момент визначається інтегруванням з врахуванням просторового розподілу заряду даного диполя. Це стосується також і молекул.

Електричні поля молекулярних диполів у речовині взаємно накладаються і утворюють загальне електричне поле, властивості якого залежать від величини, концентрації та взаємної орієнтації дипольних моментів.

Векторна сума дипольних моментів молекул одиниці об’єму діелектрика називається його поляризованістю:

.

(3.2.2)

Зовнішнє електричне поле впливає на величину та орієнтацію дипольних моментів молекул. Внаслідок цього поляризованість лінійно залежить від напруженості зовнішнього електричного поля :

,

(3.2.3)

де - діелектрична сприйнятливість речовини (безрозмірна величина). Це параметр діелектрика, який визначає його здатність поляризуватись у зовнішньому електричному полі.

Поляризовані молекули всередині діелектрика створюють власне поле, яке накладається на зовнішнє поле і спрямоване протилежно. За рахунок цього сумарне поле всередині діелектрика менше порівняно з зовнішнім полем :

,

(3.2.4)

де - діелектрична проникність речовини (безрозмірна величина), яка показує, у скільки разів зовнішнє електричне поле ослаблене всередині діелектрика. Можна теоретично довести, що

,

(3.2.5)

при цьому .

Зв’язані заряди діелектрика можуть досить сильно впливати на розподіл силових ліній поля у просторі. Густина силових ліній залежить від діелектричної проникності діелектрика, тому всередині діелектрика вона менша, порівняно з вакуумом. Частина зовнішніх силових ліній закінчуються на границі діелектрика, не проникаючи всередину. Тому в деяких випадках електричне поле в діелектрику і суміжних ділянках простору зручніше описувати за допомогою вектора електричного зміщення, який визначається за допомогою такого співвідношення:

(3.2.6)

Одиниця електричного зміщення в системі СІ – кулон на метр квадратний (Кл/м²).

Поле вектора електричного зміщення, як і поле вектора напруженості, графічно зображується за допомогою відповідних ліній - ліній електричного зміщення. Їх особливістю полягає у тому, що, на відміну від силових ліній, вони проходять через границю діелектрика, не перериваючись. Лінії зміщення закінчуються лише на вільних зарядах, тоді як силові лінії - як на вільних, так і на зв’язаних. Отже, за допомогою вектора описується електростатичне поле, створене вільними зарядами.

Відповідно, і теорема Гаус для діелектриків формулюється таким чином:

потік вектора електричного зміщення в діелектрику через довільну замкнену поверхню дорівнює алгебраїчній сумі вільних електричних зарядів всередині цієї поверхні:

.

(3.2.7)

Таке формулювання теореми Гауса є більш загальним, порівняно з попереднім (§ 3.18), оскільки може застосовуватись до будь-якого середовища, включаючи і вакуум (вакуум можна розглядати як діелектрик з діелектричною проникністю ).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: