Диэлектрик в электрическом поле. Виды поляризации. Поляризованность вещества. Диэлектрическая восприимчивость

Диэлектрики в электрическом поле ведут себя не так как проводник, хотя при этом у них есть нечто общее. Диэлектрики отличаются от проводников тем, что в них отсутствуют свободные носители зарядов. В проводниках такими носителями зарядов являются электроны, свободно перемещающиеся вдоль кристаллической решётки металлов. Но вот в диэлектриках электроны прочно связаны со своими атомами и не могут свободно перемещается.

При внесении диэлектрика в электрическое поля в нем наступает электризация также как и в проводнике. Отличие же диэлектриков состоит в том что электроны не могут свободно перемещаться по объёму как это происходит в проводниках. Но под действием внешнего электрического поля внутри молекулы вещества диэлектрика появляется некоторое смещение зарядов. Положительный смещается вдоль направления поля, а отрицательный против. Вследствие этого поверхность получает некий заряд. Процесс образования заряда на поверхности диэлектриков под действием электрического поля называется поляризацией диэлектрика.

Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.

В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:

· Электронная — смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10⁻¹⁵ с). Не связана с потерями.

· Ионная — смещение узлов кристаллической структуры под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величинапостоянной решетки. Время протекания 10⁻¹³ с, без потерь.

· Дипольная (Ориентационная) — протекает с потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле.

· Электронно-релаксационная — ориентация дефектных электронов во внешнем электрическом поле.

· Ионно-релаксационная — смещение ионов, слабо закрепленных в узлах кристаллической структуры, либо находящихся в междуузлие.

· Структурная — ориентация примесей и неоднородных макроскопических включений в диэлектрике. Самый медленный тип.

· Самопроизвольная (спонтанная) — благодаря этому типу поляризации у диэлектриков, у которых он наблюдается, поляризация проявляет существенно нелинейные свойства даже при малых значениях внешнего поля, наблюдается явление гистерезиса. Такие диэлектрики (сегнетоэлектрики) отличаются очень высокими значениями диэлектрической проницаемости (от 900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной керамики). Введение спонтанной поляризации, как правило, увеличивает тангенс угла потерь материала (до 10⁻²)

· Резонансная — ориентация частиц, собственные частоты которых совпадают с частотами внешнего электрического поля.

· Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованию объемных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения, имеет большие потери и является поляризацией замедленного действия.

Пусть - сторонние заряды в диэлектрике отсутствуют. Тогда

Здесь - объем образца. Расширим его до объема , граница которого целиком лежит в вакууме. Значение интеграла при этом не меняется:

Далее используем формулу:

Тогда:

Первый интеграл преобразуем по обобщенной теореме Гаусса: используем, что

и перейдем в последней формуле от объема к объему . В результате получим:

 

 

 

 

 

Поляризованность можно представить как дипольный момент единицы объема диэлектрика.

Данный дипольный момент появляется при внесении диэлектрика в электрическое поле . Диэлектрик поляризуется: под действием внешнего поля элементарные диполи полярного диэлектрика (дипольные моменты атомов, молекул вещества) ориентируются преимущественно по полю. В результате на поверхности диэлектрика появляется связанный заряд . В случае неполярного диэлектрика, молекулы которого не имеют собственного дипольного момента, его молекулы поляризуются во внешнем поле за счет перераспределения заряда в них. В результате возникают элементарные диполи, которые, как и в случае полярного диэлектрика, ориентируются по полю.

При наличии внешнего электрического поля по поверхности диэлектрика распределяются связанные заряды. Их поверхностная плотность равна нормальной компоненте вектора поляризации:

Данное утверждение присуще всем поляризованным диэлектрикам.

В случае однородного диэлектрика справедливо следующее утверждение: объемная плотность связанных зарядов внутри однородного диэлектрика равна нулю. Покажем это.

Пусть диэлектрическая проницаемость и плотность сторонних зарядов . Тогда: где использовано, что .В случае неоднородного диэлектрика, , объемная плотность связанных зарядов может быть отлична от нуля.

Диэлектри́ческая восприи́мчивость вещества — физическая величина, мера способности вещества поляризоваться под действием электрического поля. Диэлектрическая восприимчивостьχ _e — коэффициент пропорциональности между поляризованностью P среды (дипольный момент единицы объёма) и напряженностью E внешнего электрического поля: В системе СИ: где — электрическая постоянная.В случае вакуума У диэлектриков, как правило, диэлектрическая восприимчивость положительна.

30. Вектор электрического смещения. Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике. Электреты и сегнетоэлектрики. Пьезоэлектрический эффект Сегнетоэлектриками называют вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля.

Электре́т — диэлектрик, длительное время сохраняющий поляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, которое привело к поляризации (или заряжению) этого диэлектрика, и создающий в окружающем пространстве квазипостоянное электрическое поле.

Пьезоэлектрики – это материалы, которые в процессе деформации способны индуцировать на своей поверхности электрический заряд.

Прямой пьезоэффект – это процесс образования равных, но противоположных по знаку электрических зарядов на противоположных гранях некоторых кристаллических тел, называемых пьезоэлектриками, при давлении на эти тела.

Если изменить направление деформации, т.е. не сжимать, а растягивать пьезоэлектрик, то заряды на гранях изменят знак на обратный. К пьезоэлектрикам относятся кварц, сегнетова соль, титанат бария и т.д.

Обратный пьезоэффект – это процесс сжатия или расширения пьезоэлектрика под действием электрического поля в зависимости от направления вектора напряженности поля.