5.1. Поляризация диэлектрика

Что же происходит с диэлектриком, когда его вносят в электрическое поле, и каким образом у него появляются заряды. Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним, что все вещества, в том числе и диэлектрики, состоят из атомов. В составе атомов имеются положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны. В обычном состоянии атом бывает электрически нейтральным. Положительно заряженное ядро создает вокруг себя электрическое поле, которое удерживает отрицательно заряженный электрон, вращающийся по круговой орбите вокруг этого ядра. Сила притяжения электрона пропорциональна напряженности поля, создаваемого ядром. Напряженность электрического поля, создаваемая ядром, состоящим из одного протона, в пределах атома размером в 1 ангстрем равна:

В/м.

Это микроскопическое поле во много раз превышает реально достижимые в технике макроскопические поля (имеющие порядок 10⁵ В/м). Наличие больших полей объясняет высокую устойчивость атомов и молекул во внешних электрических полях и относительно слабое воздействие внешних полей на стационарное распределение зарядов внутри атомов. Характер этого воздействия зависит от конкретного строения атомов данного вещества. В зависимости от строения атомов и молекул диэлектрики можно разделить на три большие группы.

К первой группе можно отнести диэлектрики, молекулы которых не имеют собственного дипольного момента. Молекулы этих веществ можно представить в виде сферы, основной объем которой заполнен равномерно распределенным отрицательным зарядом электронов, а в центре сферы располагается тяжелое положительно заряженное ядро (левая часть рис.5.2).

Без поля В поле

Рис.5.2

С точки зрения электростатики такая молекула представляет собой электрический диполь, у которого положительный и отрицательный заряды совмещены и располагаются в центре молекулы. При внесении такой молекулы в электрическое поле положительно заряженное ядро будет смещаться в одну сторону (по полю), а отрицательно заряженное облако – в другую (против поля) (правая часть рис.5.2). Такое смещение приведет к тому, что положительный и отрицательный заряды эквивалентного диполя раздвинутся на расстояние l и у молекулы появится отличный от нуля электрический дипольный момент, величина которого будет равняться p = ql. Молекула, помещенная в электрическое поле, станет похожа на куриное яйцо. Величина смещения l будет пропорциональна напряженности электрического поля, приложенного к молекуле. Дипольный момент также будет пропорционален величине напряженности электрического поля: p  Е.

Величина наведенного дипольного момента, как правило, оказывается небольшой. Давайте попытаемся ее оценить. Если предположить, что смещения центров приложения положительных и отрицательных зарядов пропорциональны величине приложенного внешнего электростатического поля, а точнее пропорционально отношению напряженности приложенного поля к напряженности внутреннего поля молекулы, то можно записать, что

.

Если считать, что напряженность внешнего приложенного поля равняется В/мм = 300000 В/м, то смещение окажется равным м. При этом величина наведенного дипольного момента молекулы, содержащей один электрон, оказывается равной p = q_еl = 1,610^-19210^-16310^-35 Клм.

Итак, при внесении диэлектрика, состоящего из неполярных молекул, происходит его поляризация, у молекул появляется наведенный дипольный момент, направленный вдоль направления внешнего электрического поля. Если в единице объема диэлектрика находится N молекул, то наведенный дипольный момент единицы объема диэлектрика будет равен P = pN = qlN.

Разобранная модель возникновения дипольного момента относится к так называемым неполярным диэлектрикам, или к диэлектрикам, состоящим из неполярных молекул. К таким диэлектрикам относятся: парафин; бензол и ряд других углеводородов; газообразный водород; азот и др.

Вторую группу диэлектриков составляют вещества, молекулы которых имеют асимметричное строение (рис.5.3). Представителями таких веществ являются вода, нитробензол и др. У этих молекул центры приложения положительных и отрицательных зарядов не совпадают, и они имеют собственный дипольный момент. Дипольный момент таких полярных молекул по порядку величины равняется произведению заряда электрона на радиус атома: p  1,610^-1910^-1010^-29 Клм. Следовательно, собственный дипольный момент полярных молекул примерно на 6 порядков больше величины наведенного дипольного момента неполярных молекул.

Рис.5.3

При отсутствии внешнего электрического поля дипольные моменты различных молекул из-за теплового движения в каждый данный момент времени располагаются в пространстве хаотически, так что в среднем величина суммарного дипольного момента оказывается равной нулю. Под действием внешнего электрического поля дипольные моменты отдельных молекул будут стремиться сориентироваться вдоль поля. Хаотическое тепловое движение будет препятствовать ориентации диполей по полю, но в итоге у полярного диэлектрика все же появится отличный от нуля средний дипольный момент, направленный вдоль внешнего электрического поля (рис.5.4).

Рис.5.4

Величина этого момента, как и в случае неполярных диэлектриков, будет пропорциональна величине напряженности приложенного электрического поля p  Е.

К третьей группе относятся диэлектрики, имеющие ионное строение (хлористый натрий, хлористый калий и др.). При внесении их в электрическое поле происходит некоторое небольшое смещение положительных ионов кристаллической решетки по полю, а отрицательных – против поля (рис.5.5).

Рис.5.5

Такой диэлектрик в электрическом поле приобретет суммарный дипольный момент, направленный вдоль внешнего поля и пропорциональный его величине (p  Е).

Итак, у всех перечисленных диэлектриков в электрическом поле появляется отличный от нуля электрический дипольный момент – диэлектрик поляризуется.

Механизм поляризации, хотя и связан с конкретным строением диэлектриков, но следует одинаковой схеме. Независимо от типа диэлектрика (полярные, неполярные, ионные) при воздействии внешнего электрического поля все положительные заряды молекул диэлектрика смещаются по полю, все отрицательные – против поля. Смещения зарядов при этом весьма малы по сравнению с размерами молекул. Это связано с тем, что напряженность внешнего поля, действующего на диэлектрик, значительно меньше напряженности внутренних электрических полей в молекулах диэлектрика.