Поляризация диэлектрика (примеры формула)

Что такое поляризация диэлектрика

Под действием электрического поля в проводниках и полупроводниках происходит движение носителей зарядов, в диэлектриках же наблюдается только их смещение в пределах атома или молекулы. В обычных условиях в атоме электрические заряды расположены симметрично: положительно заряженное ядро окружено электронной оболочкой, которую можно рассматривать как распределенный в пространстве отрицательный заряд, равный заряду ядра.

Симметрично расположены заряды также и в некоторых молекулах, образованных путем обмена электронами.

Под действием внешнего электрического поля в таких атомах и молекулах происходит взаимное смещение положительных и отрицательных зарядов: электронная оболочка или чаще ее наружный слой, слабее связанный с ядром, смещаются относительно центральной части атома, содержащей ядро, в соответствии с направлением поля. Смещение по отношению к ядру электронных оболочек в атомах и молекулах называют электронная поляризация диэлектрика.

В молекулах с ионным строением под действием электрического поля может происходить взаимное смещение ионов. Это называют ионной поляризацией диэлектрика.

При прекращении действия электрического поля заряды в атоме или молекуле возвращаются в исходное положение, такая поляризация называется индуцированной.

Расположение зарядов в нейтральной молекуле может быть и несимметричным: в одной ее части могут преобладать положительные заряды, а в другой — отрицательные. Подобные молекулы называют полярными молекулами или диполями. Диполь представляет собой систему, состоящую из двух равных по величине разноименных зарядов q, находящихся на некотором расстоянии l (рис. , а). Несимметричными в электрическом отношении молекулами, или диполями, являются молекулы воды, аммиака, этилового спирта, ацетона и многих других, преимущественно органических соединений. В электрическом поле на полярные молекулы действуют силы, стремящиеся ориентировать их в пространстве соответственно направлению линий напряженности поля (рис. , б).

Диэлектрик из полярных молекул

В диэлектрике, состоящем из полярных молекул (диполей), молекулы расположены беспорядочно и не имеют выраженной пространственной ориентировки, тем более, что последняя все время меняется вследствие теплового движения частиц (рис., в). Под действием поля происходит ориентировка молекул вдоль линий напряженности поля (рис. , г).  Ориентировка молекул, особенно в твердых телах, может происходить только частично. Это явление называют ориентационной поляризацией диэлектрика.

Образование в результате поляризации зарядов противоположного знака по концам кристалликов диэлектрика обусловливало ориентировку их вдоль линий напряженности поля в опыте. Кристаллики в этом опыте можно рассматривать как модели индуцированных диполей, а весь опыт как модель ориентационной поляризации дипольных молекул в электрическом поле.

Под действием электрического поля может происходить также взаимное смещение отдельных частей сложных молекул, например молекул белков, входящих в состав тканей организма. Это явление называют деформационной или структурной поляризацией диэлектрика.

Степень поляризации возрастает с увеличением напряженности поля и в значительной мере зависит от природы диэлектрика.

Пример поляризации диэлектрика

Допустим, что в вакууме образовано электрическое поле с напряженностью Е₀, а затем в это поле внесен диэлектрик. В результате поляризации диэлектрика на его поверхностях образуются заряды противоположного знака (рис. 2, б; на рис. 2, а показано расположение диполей при отсутствии поля) и в нем возникает собственное электрическое поле с напряженностью Е_с (показано маленькой стрелкой), направленное противоположно внешнему полю. Напряженность результирующего поля в диэлектрике при этом уменьшается по сравнению с напряженностью Е₀ поля в вакууме и численно равняется разности: 

Е = Е₀—Е_с.

Напряженность Е результирующего поля в диэлектрике может быть выражена так же, как некоторая доля напряженности Е₀ поля в вакууме

Е = (1/ε)Е₀, 

где ε — некоторая постоянная, характерная для данного диэлектрика.

Постоянная ε называется относительной диэлектрической проницаемостью и показывает во сколько раз, напряженность поля, образуемого некоторыми зарядами данном диэлектрике, меньше напряженности поля образуемого этими же зарядами в вакууме:

ε = Е₀/Е

Относительная диэлектрическая проницаемость зависит главным образом от природы вещества и величина ее обусловлена способностью атомов и молекул вещества поляризоваться под действием электрического поля.

Относительная диэлектрическая проницаемость

Относительная диэлектрическая проницаемость некоторых веществ приведена в таблице.

Вещество	ε
Воздух и различные газы	1,0
Парафин	2,0
Слюда	4—5
Стекло	6—10
Вода	81

У некоторых веществ, называемых сегнетоэлектриками (сегнетова соль, титанат бария и др.), имеются группы от природы поляризованных молекул домены. В обычном состоянии они имеют беспорядочную ориентировку и их поляризация не проявляется. Под действием внешнего электрического поля эти группы ориентируются согласно и создают сильное собственное поле. Относительная диэлектрическая проницаемость этих веществ доходит до нескольких тысяч.

Органические вещества (белки, жиры и углеводы), из которых состоят плотные части тканей организма, в чистом и сухом виде являются диэлектриками. Из них наибольшую диэлектрическую проницаемость имеют белки, наименьшую — жиры.

Статья на тему Поляризация диэлектрика