Діелектрики в електричному полі. Поляризація діелектриків

Діелектриками (або ізоляторами) називаються речовини, які в нормальних умовах не проводять електричний струм. Насправді реальні діелектрики, хоч і дуже погано, але проводять електричний струм. Їхній питомий опір досягає , що в разів більше ніж питомий опір провідників.

В діелектриках за нормальних умов майже відсутні вільні електричні заряди. Заряджені частинки в діелектриках зв’язані в атомах, молекулах чи в кристалічній решітці. В зовнішньому електричному полі заряджені частинки можуть зміщуватись на невеликі відстані в межах атомів, молекул чи відносно вузлів кристалічної решітки, тобто поляризуватись, але не можуть переміщуватись по всьому об’єму діелектрика.

Всі діелектрики можна розділити на три типи: неполярні діелектрики, полярні діелектрики та іонні кристали.

Неполярниминазиваються діелектрики, в молекулах яких центри розподілу позитивних і негативних зарядів співпадають. В зовнішньому електричному полі центри позитивних і негативних зарядів (електронів) зміщуються в протилежних напрямках, що приводить до виникнення дипольного моменту. При цьому виникає внутрішнє електричне поле, яке частково компенсуватиме зовнішнє. Поляризація таких діелектриків називається електронною. До неполярних діелектриків відносяться гази та інші.

Полярними називаються діелектрики, в молекулах яких центри розподілу позитивних і негативних зарядів не співпадають. Молекули таких діелектриків можна вважати електричними диполями. При відсутності зовнішнього електричного поля внаслідок теплового руху дипольні моменти молекул орієнтовані хаотично. Тому сумарний дипольний момент і електричне поле в довільному макроскопічному об’ємі діелектрика рівне нулю. В зовнішньому електричному полі диполі молекул будуть повертатись орієнтуючись вздовж силових ліній поля. Внаслідок цього виникне внутрішнє електричне поле, яке частково компенсуватиме зовнішнє. Поляризація таких діелектриків називається орієнтаційною. До полярних діелектриків відносяться гази , рідини та інші речовини.

Іонні кристали – це тверді тіла кристалічна решітка яких складається з позитивно та негативно заряджених іонів. В зовнішньому електричному полі іони частково зміщуються від положень рівноваги. При цьому виникає внутрішнє електричне поле, яке частково компенсує зовнішнє. Поляризація таких діелектриків називається іонною. До іонних кристалів відносяться та інші.

Всі діелектрики при поляризації деформуються. Це явище називається електрострикцією.

Помістимо діелектрик в електричне поле плоского конденсатора (рис.3.24). Внаслідок поляризації діелектрика на його протилежних поверхнях виникнуть зв’язані електричні заряди протилежних знаків з поверхневою густиною і . В об’ємі діелектрика позитивні і негативні заряди будуть взаємно компенсувати один одного. Однак, кожна молекула діелектрика буде мати деякий дипольний момент .

Вектором поляризації називається векторна сума електричних дипольних моментів молекул одиниці об’єму поляризованого діелектрика

, (3.138)

де N – число молекул в об’ємі V.

Експериментально встановлено, що дипольний момент неполярних молекул прямо пропорційний до напруженості електричного поля

, (3.139)

де – поляризованість молекули, яка є різною для молекул різних видів. Підставимо вираз (3.139) у формулу (3.138)

, (3.140)

де – концентрація молекул.

Введемо позначення

, (3.141)

– діелектрична сприйнятливість або поляризованість одиниці об’єму діелектрика. Підставимо (3.141) у формулу (3.140)

. (3.142)

У випадку слабкого електричного поля ця формула справедлива і для полярних діелектриків.

Для неполярних діелектриків діелектрична сприйнятливість не залежить від температури. Для полярних діелектриків діелектрична сприйнятливість обернено пропорційна абсолютній температурі і визначається за формулою Дебая-Ланжевена

, (3.143)

де – дипольний момент полярної молекули, – постійна Больцмана.

Знайдемо величину вектора поляризації, розглядаючи поляризований діелектрик як великий електричний диполь

. (3.144)

Із формул (3.142) і (3.144) отримаємо

; . (3.145)

Напруженість результуючого електричного поля рівна

, (3.146)

де – напруженість електричного поля при відсутності діелектрика, – напруженість поля, створеного поляризаційними зарядами. Поляризаційні заряди на протилежних гранях діелектрика утворюють дві паралельні різнойменно заряджені площини з поверхневою густиною заряду . Тому напруженість поля поляризаційних зарядів рівна

. (3.147)

Підставимо (3.145) в (3.147), одержимо

. (3.148)

Підставимо (3.148) в (3.146), дістанемо

; . (3.149)

Діелектричною проникністю середовища називається фізична величина, рівна відношенню напруженості електричного поля у вакуумі до напруженості електричного поля у середовищі при інших однакових умовах

. (3.150)

Підставивши (3.149) в (3.150), отримаємо

. (3.151)

Між індукцією та напруженістю електричного поля існує зв’язок

. (3.152)

Підставимо (3.151) в (3.152) і використаємо (3.142)

;

. (3.153)

Між діелектричною проникністю і поляризованістю молекул неполярного діелектрика існує зв’язок

. (3.154)

Це співвідношення називається рівнянням Клаузіуса-Мосотті.

Для полярних діелектриків діелектрична проникність може бути визначена за формулою

. (3.155)

Полярні молекули діелектрика в електричному полі повертаються і орієнтуються вздовж силових ліній поля. Поряд з цим відбувається і електронна деформаційна поляризація молекул. Тому діелектрична проникність полярних діелектриків складається з орієнтаційної і деформаційної частин , яка набагато менша від орієнтаційної.

Серед великої кількості діелектриків зустрічаються такі, які мають дуже великі значення діелектричної проникності. Ці діелектрики називаються сегнетоелектриками. Їхня назва походить від назви одного із цих діелектриків – сегнетової солі (подвійна натрієво-калієва сіль винної кислоти ). Діелектрична проникність сегнетової солі при кімнатній температурі досягає 10000. До сегнетоелектриків належать також титанат барію , титанат свинцю , ніобат літію , дигідрофосфат калію та інші. Усі сегнетоелектрики мають кристалічну будову, причому їхня кристалічна гратка не має центру симетрії.

Висока діелектрична проникність сегнетоелектриків пов’язана з наявністю в них самовільних (спонтанних) поляризованих областей при відсутності зовнішнього електричного поля. Ці області спонтанної поляризації називаються доменами. У сусідніх доменах орієнтація дипольних моментів різна. Тому вектор поляризації великого кристалу сегнетоелектрика в середньому рівний нулю і при відсутності зовнішнього електричного поля сегнетоелектрик є неполяризований (рис. 3.25). Якщо сегнетоелектрик внести в зовнішнє електричне поле, то вектори поляризації доменів встановлюються в напрямі, близькому до напрямку поля і сегнетоелектрик поляризується в цілому. Між вектором поляризації сегнетоелектрика і напруженістю зовнішнього електричного поля існує складна залежність, яка називається діелектричним гістерезисом (запізненням) (рис. 3.26). Із збільшенням напруженості зовнішнього електричного поля величина вектора поляризації зростає і потім досягає насичення . Якщо після цього напруженість електричного поля зменшувати і довести до нуля, то величина вектора поляризації буде зменшуватись із запізненням і досягне деякого залишкового значення . Залишкова поляризація зникне лише при накладанні певного електричного поля протилежного напрямку . Напруженість поля, при якій усувається залишкова поляризація даного діелектрика, називається його коерцитивною силою. Аналогічною є залежність вектора поляризації від напруженості електричного поля і при його зворотному напрямку.

Діелектрична проникність сегнетоелектриків суттєво залежить від температури. Її високе значення проявляється лише в певному температурному інтервалі. Температура, вище від якої сегнетоелектричні властивості значно послаблюються, називається точкою Кюрі. Коли температура сегнетоелектрика досягає точки Кюрі, зростає тепловий рух частинок, порушується орієнтація дипольних моментів в областях спонтанної поляризації, домени руйнуються і сегнетоелектрик перетворюється в звичайний діелектрик.

Перетворення сегнетоелектриків у точці Кюрі в звичайні полярні діелектрики відбувається без будь-якого виділення прихованої теплоти і є фазовим переходом другого роду.

Під час поляризації під дією електричного поля різнойменно заряджені частинки в діелектрику зміщуються в протилежних напрямках, що приводить до його деформації. Це явище називається електрострикцією. Значна електрострикція проявляється в сегнетоелектриках, в кристалах кварцу та інших діелектриках. Цим діелектрикам властиве і зворотнє явище. Якщо діелектрик деформувати то на гранях перпендикулярних до напрямку деформації виникають протилежні за знаком заряди. Це явище називається п’єзоелектричним ефектом.

Явище електрострикції і п’єзоелектричний ефект знайшли широке застосування в електромеханічних перетворювачах, випромінювачах і приймачах звуку, ультразвуку, стабілізаторах електромагнітних коливань, тощо.

Існують діелектрики, які здатні тривалий час зберігати стан поляризації. Такі діелектрики називаються електретами. Поляризовані електрети є електричними аналогами постійних магнітів. Вони використовуються як джерела постійного електричного поля в схемах телефонного зв’язку, електрометрах, дозиметричних радіаційних приладах, тощо.