Ионная, электронная и ориентационная поляризации.

Свободные и связанные заряды в веществе.

Диэлектрик (от греч. dia – через, сквозь и англ. electric – электрический) – вещества, практически не проводящие электрический ток и в которые проникает электрическое поле (пластмассы, керамика, не ионизованные газы, непроводящие жидкости и т.п.)

Свободные заряды имеются в любом проводнике, они могут достаточно свободно перемещаться в пределах проводника.

В диэлектриках нет «свободных» зарядов, которые могли бы перемещаться по всему образцу. Заряды, входящие в состав молекул диэлектрика, прочно связанны между собой и способны перемещаться только в пределах своей молекулы на расстояние порядка см.

Нескомпенсированные заряды, появляющиеся в результате поляризации диэлектрика, называют поляризационными или связанными.

Последним термином хотят подчеркнуть, что свобода перемещения таких зарядов ограничена. Они могут смещаться лишь внутри электрически нейтральных молекул.

Типы диэлектриков.

Каждая молекула или атом диэлектрика содержит положительно заряженные ядра и электроны, движущиеся вокруг ядер. Если заменить все положительные заряды ядер молекулы одним суммарным зарядом , находящемся в «центре тяжести» положительных зарядов, а все отрицательные заряды , расположенном в «центре тяжести» отрицательных зарядов, то можно приближенно рассматривать молекулу диэлектрика как диполь, состоящий из зарядов и . Такой диполь имеет электрический момент и создает электрическое поле.

1. Неполяризованные диэлектрики. Дипольный момент многих диэлектриков в отсутствии внешнего поля равен нулю. Такие диэлектрики называются неполяризованными, например метан , симметричная молекула, у которой «центры тяжести» положительного и отрицательного зарядов совпадают.

2. Вторую группу диэлектриков составляют такие вещества, как вода, нитробензол и другие, молекулы которых имеют ассиметричное строение.

При этом «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов не совпадают друг с другом, молекула представляет «жесткий» диполь, даже в отсутствие внешнего поля и ее называют полярной. Соответственно такие диэлектрики называются полярными.

3. К третьей группе относятся кристаллические диэлектрики, имеющие ионное строение (хлористый натрий, хлористый калий и другие). При внесении их в электрическое поле происходит небольшое смещение положительных ионов кристаллической решетки по полю, а отрицательных – против поля.

Ионная, электронная и ориентационная поляризации.

Ионная поляризация

Решетку ионных кристаллов можно рассмотреть как две вставленные друг в друга решетки, одна из которых образованна положительными, а другая отрицательными ионами. При действии на ионы кристалла внешнего поля обе решетки сдвигаются друг относительно друга, что приводит к поляризации диэлектрика.

Электронная поляризация

	Атом имеет ядро с положительным зарядом, окруженное отрицательными электронами (рис 18.1). В электрическом поле положительные заряды притягиваются в одну сторону, а электроны в другую. «Центр тяжести» отрицательных зарядов сместится, и больше не будет совпадать с положительным зарядом ядра.
Рис. 18.1

Аналогичная ситуация имеет место и с молекулами. Поскольку в электрическом поле происходит фактически смещение электронов, как легких частиц, а ядро почти не смещается, такая поляризация и называется электронной.

Ориентационная поляризация

Если диэлектрик состоит из полярных молекул, то при отсутствии внешнего поля их дипольные моменты ориентированны произвольным образом (из-за тепловых движений). Под действием же внешнего поля дипольные моменты ориентируются преимущественно в направлении внешнего поля (см. лек.17).
Рис. 18.2

Независимо от типа поляризации на проти­воположных концах диэлектрика появляются нескомпенсированные поверхностные связанные заряды (рис. 18.2).

2. Поляризованность. Величина, характеризующая степень поляризации диэлектрика называется поляризованностью . Ее физический смысл – дипольный момент единицы объема:

где - бесконечно малый объем, заключающий точку, в которой определяется поляризованность; - векторная сумма дипольных моментов молекул в этом объеме. (Объем мал по сравнению с объемом диэлектрика, но много больше объема, занимаемого молекулой).

Диэлектрическая восприимчивость вещества.

Как показывает опыт, для большого класса изотропных диэлектриков при не слишком больших напряженностях электрического поля, поляризованность связана с в той же точке соотношением:

æ

где æ - безразмерная величина, называемая диэлектрической восприимчивостью вещества. Эта величина не зависит от , она является характеристикой самого вещества, всегда æ (Существуют однако исключения. Например, для сегнетоэлектриков связь между и нелинейная).

В случае диэлектриков, построенных из полярных молекул, ориентирующему действию внешнего поля противится тепловое движениемолекул, стремящихся разбросать их дипольные моменты по всем направлениям. Для таких диэлектриков диэлектрическая восприимчивость обратно пропорциональна температуре æ .