Діелектрики, поляризація діелектриків

Діелектрики – речо­ви­ни, які в звичайних умовах погано проводять елек­т­рич­ний струм. Тер­мін “діелек­трик” був вве­де­ний М. Фа­радеєм. До діелектри­ків належать всі гази (неіонізо­ва­ні), деякі рідини (вода, гаc) і деякі твер­ді тіла (фосфор, ебо­­ніт). Елект­ро­провідність діелек­три­­ків дуже мала, їх­ній питомий електричний опір r ≈; 10⁶–10¹⁶ Ом×м.

Внесемо однорідний ді­елек­­трик в поле напруженості E ₀ = сonst. На протилежних гранях діелектрика з’являться зв’язані заряди різ­ного знака, які створять власне поле E'. Враховуючи, що на­­прямки E ₀ і E' протилежні, результуюча напруженість Е = Е ₀ – Е ' (мал. 4.9). Величина, яка показує, у скільки разів напруженість поля в однорідному діелектрику менша, ніж напруженість поля у вакуумі, якщо ці поля створені одними і тими ж самими вільними зарядами, називається відносною діелект­рич­ною проникністю середовища e:

e = E ₀/ E = E ₀/(E ₀ – E ¢). (4.20)

Поляризація середовища і діелектриків, зокрема, є процесутворення об’ємного дипольного електричного моменту середовища. Поляризація може здійснюватися не тіль­ки під дією електричного поля, а йдеяких інших факторів, наприклад, механічних напруг (п’єзоелектричний ефект). Мірою поляризаціїдіелектрикає вектор діелект­ричної поляризації P,який дорівнюєсумарномудипольномумоментумолекул, віднесеному до об’єму V, в якому вони містяться, тобто

, (4.21)

де N – число молекул в об’ємі V, p_i – дипольний момент частинки. Ступінь поляризації можна наближено вважати пропорційним до напруженості поля E:

P = e ₀ a E, (4.22)

де a – діелектрична сприйнятливість – безрозмірна величина, яка для вакууму дорівнює нулю, а для діелектриків є додатним числом (a > 0).

Електрична індукція в діелектрику визначається сумою двох доданків:

D = e ₀ E + P, (4.23)

або з врахуванням (4.22):

D = e ₀ E + e ₀ a E =e ₀(a + 1) E. (4.24)

Порівнюючи (4.3) і (4.24), дістанемо1 + a = e, де – від­носна діелектрична проникність. Обидві макроскопічні величини і є безрозмірними і характеризують здатність речовини до поляризації. У таблиці 4.1 наведені значення діелектричної проникності для ряду речовин при кімнат­них температурах і постійних електричних полях.

Механізми поляризації діелектрика різноманітні і залежать від характеру хімічного зв’язку атомів у молекулі. Роз­різ­няють діелектрики з полярними і неполярними молекулами. Діелектрики, в молекулах яких центри просторового розподілу позитивних і негативних зарядів збігаються, називають неполярними. До діелектри­ків цієї групи належать: H₂, N₂, CO₂, CCl₄, парафін, бензол та інші вуглеводи. За від­сутності зовнішнього поля дипольний момент таких молекул дорівнює нулю. Полярними називають молекули, в яких центри позитивних і негативних зарядів не збігаються. Полярні молекули за відсутності електричного поля мають відмінний від нуля дипольний момент p = q l, який називають власним. Якщо в електричному полі відстань l не змінюється, то такі молекулярні диполі називають жорсткими. До діелектриків з полярними молекулами (полярних ді­електриків) належать речовини, що мають асиметричні молекули: H₂O, NO₂, HCl, CHCl, органічні кислоти тощо.

Таблиця 4. 1.

Речовина	e	Речовина	e
Повітря (при нормальних умовах)	1.0058	Біла речовина мозку
Віск	7.8	Сіра речовина мозку
Парафін	2.1	Речовина зорового нерва
Скло	5–7	Кров
Вода		Білок яйця
Гас		Крохмаль
Поліетилен	2.2	Хлористий натрій (кристалічний)	6.12

Розглянемо основні види поляризації.

Орієнтаційна поляризація. За відсутності зовнішнього поля в рідинах та газах з полярними молекулами вектор поляризації P = 0 (мал. 4.10а). Зовнішнє поле намагається зорієнтувати полярні молекули вздовж силових ліній. Внаслідок спільної дії двох факторів (зовнішнього поля і хаотичного теплового руху) у діелектрику з’являється переважаюча орієнтація молекулярних диполів у напрямку поля (мал. 4.10б).

Деформаційна (електронна) поляризація обумовлена зміщен­ням електричних зарядів в атомах і молекулах під дією зовнішнього електричного поля, що призводить до по­я­ви дипольного моменту p у цих частинок (мал. 4.11). Цей індукований момент зникає при вимкненні поля. Його величина в слабких полях лінійно залежить від напруженості поля, тобто

p = be ₀ E, (4.25)

де E – електричне поле в місці знаходження частинки, а b – коефіцієнт, який називають поляризованістю молекули. Зауважимо, що ді­електрична сприйнятливість a = b×n ₀, де n ₀– кількість диполів в оди­ниці об’єму. Такі молекули, на відміну від молекул полярного діелек­трика, є нежорсткими дипольними молекулами, їх плече l ¹ const.

Мал. 4.10а.

Мал. 4.10б.

Мал. 4.11.

Іонна поляризація (поляризація іонного зміщення). Віоннихкристалах(наприклад, NaCl) можна умовно виділити підгратки, які утворені позитивними і негативними іонами. Дією зовнішнього поля обидві підгратки зміщуються у протилежні боки і на поверхні діелектрика з’являється зв’яза­ний заряд.

Спонтанна поляризація. У кристалах-сегнето­електри­ках при відсутності зовнішнього електричного поля існують області, всередині яких дипольні моменти молекул однаково направлені. Такі області самовільної (спонтанної) поляризації називають доменами. Електричний момент домену має великі значення, оскільки в домені міститься значна кількість молекул (об’єм домену 10^–4–1 мм ³). Поляризація сегнетоелектриків зводиться до орієнтації доменів у зовніш­ньому полі E ₀ (мал. 4.12). Діелектрична проникність e зрос­тає при збільшенні E ₀ (в міру посилення поля зростає впоряд­кова­ність доменів) і досягає значень e» 10⁴. Сегнето­елект­рики зберігають деяку залишкову поляризацію навіть після припинення дії зовнішнього електричного поля. На сегнето­електричні властивості речовини значно впливає зміна температури. Температура, при якій внаслідок зростання
інтенсивності теплового руху молекул домени руйнуються, називається температурою Кюрі.

Мал. 4.12.

Мал. 4.13.

Для біологічних тканин характерні всі типи поляризації. Крім описаних раніше, суттєву роль відіграє об’ємна поляризація (ефект Максвелла–Вагнера), яка має місце в електрич­но ізольованих від оточуючого середовища об’ємах (на­­при­клад, клітинах) (мал. 4.13).

Рух вільних носіїв, в основному іонів, у постійному електричному полі напруженості E призводить до порушення звичного для кліти­ни розподілу зарядів і, як наслідок, її функцій. На дії постійного електричного поля високої напруженості (Е = 10⁴–10⁶ B/м) на весь організм або окремі його ділянки базується лікувальний метод – франклінізація.