Диэлектрики. Типы диэлектриков

 

Диэлектриками принято называть вещества, не проводящие электрический ток.

В молекулах диэлектрика, как и в молекулах других веществ, суммарный положительный заряд ядер всех атомов, образующих молекулу, равен суммарному отрицательному заряду всех электронов.

В общем случае заряд всех ядер молекулы можно заменить одним точечным положительным зарядом. Величина этого заряда равна сумме зарядов ядер всех атомов молекулы, а положение совпадает с положением центра “тяжести” положительных зарядов молекулы.

В свою очередь, суммарный отрицательный заряд электронов молекулы можно заменить одним точечным отрицательным зарядом, расположенном в центре «тяжести» зарядов электронов.

Если центры «тяжести» положительным и отрицательных зарядов находятся на расстоянии l друг от друга, то молекулу можно считать диполем с плечом l.

В некоторых диэлектриках молекулы симметричны (напри-мер, Н ₂, О ₂, N ₂). У таких молекул центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают.

В диэлектриках второго типа молекулы состоят из противо-положных по знаку ионов (например, NaCl, KCl, KBr).
В отсутствие внешнего электрического поля центры “тяжести” положительных и отрицательных зарядов ионных молекул в кристалле диэлектрика совпадают.

В отсутствие внешнего электрического поля молекулы диэлектриков первого и второго типа не обладают собственным дипольным моментом, они неполярны. Поэтому диэлектрики, состоящие из таких молекул, называют неполярными.

В диэлектриках, состоящих из несимметричных молекул (например, NH ₃, CO, H ₂ O), центры “тяжести” отрицательных и положительных зарядов не совпадают. Следовательно, такие молекулы обладают собственным дипольным моментом. Поэтому их называют полярными.

Несмотря на наличие дипольных моментов у всех молекул такого диэлектрика, диэлектрик в целом в отсутствие внешнего электрического поля дипольным моментом не обладает, так как вследствие теплового движения полярные молекулы ориен-тированы хаотично и их суммарный дипольный момент равен нулю.

 

Поляризация диэлектриков

 

При внесении диэлектрика любого типа в электрическое поле происходит его поляризация, т. е. в нём возникает отличный от нуля дипольный электрический момент. Механизм поляризации в каждой группе диэлектриков имеет особенности. Рассмотрим его подробнее.

 

 

Начнём с рассмотрения неполярных диэлектриков.

При внесении такого вещества во внешнее электрическое поле под действием кулоновских сил центры “тяжести” положи-тельных и отрицательных зарядов молекулы смеща-ются в противоположных направениях.

В результате центры “тяжести” положительного и отрицательного зарядов оказываются на некотором расстоянии l друг от друга (см. рисунок). Молекула неполярного диэлектрика становится диполем с плечом l, направленным параллельно вектору на-пряжённости электрического поля.

Подобным образом ве-дут себя и диэлектрики второго типа: под действи-ем кулоновских сил поло-жительные и отрицатель-ные ионы смещаются, что приводит к возникновению дипольных моментов.

В полярных диэлектри-ках внешнее поле вызывает ориентацию молекул – молекулы ориентируются по полю. Сумма дипольных моментов молекул ста-нет отличной от нуля. Естественно, что хаотическое (тепловое) дви-жение молекул противодействует упорядочиванию ориентации мо-лекул. Поэтому при данной темпе-ратуре степень ориентации будет тем выше, чем сильнее электрическое поле.

Из сказанного следует, что степень поляризации любого диэ-лектрика может быть различной. Следовательно, необходима количественная мера степени поляризации диэлектрика. В ка-честве такой меры используется поляризованность диэлектрика – дипольный момент единицы объёма диэлектрика. Это вели-чина, равная векторной сумме дипольных моментов молекул в единице объёма вещества:

.

Размерность вектора поляризованности

.

Поляризованность в диэлектриках всех типов зависит от напряжённости электрического поля. Чем больше напряжённость электрического поля, тем выше поляризованность диэлектрика. В аналитической форме эта связь имеет вид

Р = ke_о Е,

где k (каппа) – диэлектрическая восприимчивость. Диэлект-рическая восприимчивость является безразмерной величиной.

Учитывая, что дипольный момент поляризованной неполяр-ной молекулы всегда направлен по полю, мы вправе утверждать, что изменение температуры не влияет на степень поляризации молекулы. Следовательно, и поляризованность, и диэлектри-ческая восприимчивость неполярного диэлектрика не зависят от температуры.

Полярные диэлектрики ведут себя иначе. В них упорядо-чивающему действию внешнего электрического поля противо-действует хаотическое тепловое движение молекул, стремящееся разориентировать дипольные моменты молекул. Поэтому при каждой температуре будет устанавливаться некоторая равно-весная упорядоченность дипольных моментов. Следовательно, поляризованность и диэлектрическая восприимчивость полярных диэлектриков зависят от температуры. Чем выше температура, тем ниже поляризованность Р и диэлектрическая воспри-имчивость k.

Следует отметить ещё одну важную особенность ди-электрической восприимчивости k.

В изотропных средах, свойства которых не зависят от направ-ления, k является скаляром. Поэтому в изотропных диэлектриках направление вектора Р всегда параллельно направлению Е.

В анизотропных диэлектриках диэлектрическая восприим-чивость, измеренная для направления, параллельного оси х, не равна значению k, измеренному для параллельного оси у на-правления. Поэтому в анизотропных диэлектриках направление вектора Р в общем случае не параллельно направлению Е.