Поляризация диэлектрика

Поляризация диелектрика

Диэлектрика в стационарном электрическом поле поляризация диэлектрика. Вектор электрического смещения
Диэлектрика отличается от проводников (в частности от металлов) малым количеством свободных зарядов. В идеальном диэлектрику в целом нет свободных, нелокализованных зарядов. Впрочем в диэлектрике существуют так называемые локализованы, или связаны заряды, которые не могут свободно передвигаться по всему веществу, однако могут кое-что сдвигаться, или возвращаться относительно точки равновесия (точки равновесной локализации). Такими относительно малыми перемещениями связанных зарядов диэлектрики реагируют на внешнее электрическое поле. Процессы реакции диэлектриков на внешние электрические поля получили название явления поляризации диэлектриков.

Еще Фарадей установил, что электрическое поле в диэлектрике отличается от электрического поля в воздухе. Диэлектрик ослаблял внешнее электрическое поле. Диэлектрика обычно состоит из нейтральных атомов, позитивный заряд которых сосредоточен в ядрах, а негативный - в электронных слоях, или молекул, которые содержат нейтральные атомы. Связаны, локализованные в атомах и молекулах заряды расположены в разных точках пространства и в результате непрестанного движения их расположение постоянно изменяется.

По характеру пространственного расположения заряженных частиц в молекулах их разделяют на полярные и неполярные. Молекулы, в частности, могут иметь такое размещение позитивных и негативных зарядов, что их "центры веса" сбегаются в отсутствии внешнего поля, и дипольный момент молекулы в таком состоянии равняется нулю. Такие атомы и молекулы называют неполярными. Как пример атомы инертных газов, молекулы, и тому подобное, в газообразном и жидком состояниях являются центросимметричными, неполярными молекулами.

При поляризации такого диэлектрика внешним полем заряды в каждой молекуле смещаются в противоположных направлениях (позитивные - в направлении поля, негативные - против поля), потому на одном конце молекулы появляется позитивный заряд, а на другом - негативный. Центры симметрии позитивного и негативного зарядов больше не совпадают. При этом каждая молекула превращается в микроскопический электрический диполь.
Впрочем, существуют также вещества, которые состоят из таких молекул, центры позитивных и негативных зарядов которых не сбегаются в одной точке, другими словами, они смещены на некоторое расстояние - это полярные молекулы: например, молекулы газов некоторых жидкостей (вода, кислоты, отдельные спирты, эфиры, и тому подобное). Молекулы этих веществ всегда являют собой элементарные диполи, если внешнего электрического поля даже и нет. Дипольный момент таких молекул имеет порядок величины Кл/г.
Однако, в результате непрерывного движения электрических зарядов, как и каждого атома или молекулы, как величина, так и пространственная ориентация этих дипольных моментов быстро и хаотически изменяется во времени. Внешнее поле частично ориентирует эти дипольные моменты в направлении против поля.
Для количественной характеристики поляризации диэлектрика используют специальную физическую величину - поляризованность: электрический момент единицы объема диэлектрика. Он равняется векторной сумме электрических моментов всех молекул в единице объема.
Если диэлектрик однороден, а смещение (или переориентация) зарядов одинаково во всех точках, то вектор будет одинаковым по всему диэлектрику (однородная поляризация). В изотропной диэлектрике направление вектора совпадает с направлением вектора напряженности внешнего, то есть эти векторы являются коллинеарными - макроскопический параметр, который характеризует способность структурных единиц диэлектриков к поляризации, то есть к смещению зарядов, например в атомах или молекулах.

Если значение в разных областях диэлектрика будет разным, то это является признаком того, что в некоторую область объема попадает больший заряд определенного знака, чем из нее выходит наружу, следовательно, в таких областях будут возникать объемные заряды. Величина поляризации обычно (кроме фероелектриков или сегнетоелектриков) прямо пропорциональная величине напряженности внешнего поля.
В случае изотропной среды можно записать прямую связь между внешним электрическим полем и результирующим электрическим полем в среде в следующем простом виде.
Напряженность поля в среде будет у раз меньшая напряженности внешнего поля в вакууме, где - скалярный параметр, который имеет название относительной диэлектрической проницательности вещества. Именно таким является следствие поляризации диэлектрика - послабление внешнего поля. Такое послабление возникает за счет суперпозиции внешнего поля из тип полем, которое появляется в веществе в результате ее поляризации.

Возвращаясь к формулам, которые определяют емкость плоского конденсатора, заметим, что при наличии диэлектрика с диэлектрической проницательностью между обложками конденсатора напряженность поля в раз меньшая от напряженности электрического поля вакуумного конденсатора. Поэтому для обеспечения такой же разницы потенциалов между обложками необходимо сосредоточить на них в больший заряд, из-за чего емкость конденсатора также повышается в раз.

Допустимо для простоты, что внешнее поле имеет силовые линии нормальные к поверхности диэлектрика. На грани раздела вакуум-вещество плотность силовых линий, как функция координат, имеет разрыв первого рода (прыжком уменьшается в раз на пределе).
Если помнить, что для вакуума формально, то нетрудно понять, что величины или, такого разрыва не будут иметь. Понятно, что индекс "1" необязательно относить к вакууму - это может быть любая среда, отличная за диэлектрической проницательностью от вакуума, и от среды обозначенной индексом "2".
называют вектором электрической индукции (вектором ли электрического смещения). Вектор электрической индукции, как и вектор напряженности электрического поля, является силовой характеристикой электростатического поля. В отличие от напряженности поля, вектор электрической индукции не имеет разрыва первого рода для своей нормальной к пределу компоненты на грани двух сред.

Если напряженность поля точечного заряда в среде является функцией точки (через радиус-вектор) и электрических свойств среды (через параметр). То для индукции электрического поля того же заряда в тем же среде зависимость от свойств среды исчезает: Индукция поля измеряется в Кл/м2 так же как модуль вектора поляризации.