Материалы >> Физика >>

2. Диэлектрики в электрическом поле.

По электрическим свойствам все вещества делятся на диэлектрики и проводники.

Диэлектрики – это вещества, у которых атомы (молекулы) расположены на таком расстоянии друг от друга, при котором их внешние электронные оболочки не перекрываются (рис. 4, а). На рис. 4 точкой схематически изображено ядро атома, кружком – внешняя электронная оболочка. Таким образом, в диэлектрике внешние электроны за счет сил кулоновского взаимодействия связаны с ядрами атомов.

У проводников в отличие от диэлектриков внешние электронные оболочки соседних атомов перекрываются, как показано на рис 4. б. Поэтому в проводниках внешние электроны не связаны с определенными атомами и являются свободными в пределах кристалла. Такие электроны при температуре Т > 0K совершают тепловое хаотическое движение подобно атомам газа. Поэтому  их называют газом свободных электронов.

В связи с отмеченными особенностями диэлектрики и проводники по-разному ведут себя в электрическом иоле.

Из вышесказанного (см. статью Диэлектрики и проводники) следует, что суммарный заряд электронов и ядер атомов и молекул, входящих в состав диэлектрика, равен нулю. Тем не менее такие молекулы образуют свои микроскопические поля, которые изменяются во внешнем электрическом поле.

Любую молекулу диэлектрика можно рассматривать как электрический диполь, который характеризуют дипольным электрическим моментом:

P = qt

де q - заряд диполя,  t - вектор, проведенный от отрицательного заряда к положительному, с модулем, равным расстоянию между ними.

Различают диэлектрики с неполярными и полярными молекулами (неполярные и полярные диэлектрики).

Неполярные диэлектрики

В неполярных диэлектриках (Н2, О2, N2) при отсутствии внешнего электрического поля центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают (рис. 5. а). При этом t = 0. Следовательно, дипольный момент неполярной молекулы Р = 0. Во внешнем электрическом поле Е за счет кулоновского взаимодействия происходит «деформация» электронных оболочек (рис. 5, б). При этом центры тяжести положительных и отрицательных зарядов смещаются и молекулы приобретают электрический момент P¹0.

Рис. 5. Схематическое изображение молекул неполярного диэлектрика:

а – при отсутствии внешнего поля (Ео = 0);

б – при наличии внешнего поля (Ео ¹ 0).

Полярные диэлектрики

В полярных диэлектриках (Н2О, HCL, NH3) при отсутствии внешнего поля (Е₀ =0) дипольный момент молекул P¹0 в силу асимметрии в расположении положительных и отрицательных зарядов. За счет теплового движения молекул (рис. 6, а) векторы t и, следовательно, дипольные моменты молекул P  ориентированы хаотично, так что результирующий дипольный момент диэлектрика равен нулю (SP_i =0).

Рис. 6. Схематическое изображение молекул полярного диэлектрика:

а – при отсутствии внешнего поля (Ео = 0);

б – при наличии внешнего поля (Ео ¹ 0).

Во внешнем электрическом поле Ео ¹ 0на каждый диполь действует момент пары сил

М = РЕо

который разворачивает диполь вдоль поля Ео (рис. 6, б). В результате этого появляется результирующий дипольный момент SP_i =0.

Процесс, при котором диэлектрик, помещенный во внешнее электрическое поле, приобретает результирующий дипольный момент, называют поляризацией.

В результате поляризации на концах диэлектрика появляются нескомпенсированные заряды (рис. 5, б и 6, б). Эти заряды образуют дополнительное поле (рис. 7), направленное против внешнего поля. Тогда результирующее поле:

Е = Ео + Е₁                      (12)

Поле Е₁ обусловлено вектором поляризации Р, который связан с результирующим полем Е соотношением:

Р = ce_оЕ                   (13)

где c - диэлектрическая восприимчивость.

На практике формулу (12) не используют в силу того, что при переходе из диэлектрика в вакуум скачком изменяется величина электрического поля и, следовательно, число силовых линий. Чтобы упростить расчеты, вводят новую характеристику электрического поля – вектор электрического смещения D, который задают выражением:

D = e_оЕ + Р                (14)

Учитывая формулу (13) и обозначая  1 + c = e, имеем:

D = e_оeЕ                                 (15)

Здесь Е – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, характеризует его электрические свойства. Величина e для различных диэлектриков указывается в справочниках.

Рис. 7. Электрическое поле внутри диэлектрика.

Copyright © Tehnologam.narod.ru
При перепечатке и размещении материалов сайта на других ресурсах ссылка на http://www.tehnologam.narod.ru обязательна.