Лекции для студентов

Электричество и магнетизм. Часть 1

Лекция 3

Электростатическое поле в диэлектриках.

1.10. Поляризация диэлектриков. Свободные и связанные заряды. Основные виды поляризации диэлектриков.

Явление возникновения электрических зарядов на поверхности диэлектриков в электрическом поле называется поляризацией. Возникающие при этом заряды — поляризационными (рис.3.1).

Рис.3.1. Поляризация диэлектрика.

В проводниках (например, металлах) имеются свободные заряды, которые можно разделить (рис.3.2).

Рис.3.2. Разделение свободных зарядов в металле.

В диэлектриках заряды смещаются лишь в пределах отдельных молекул, поэтому их разделить нельзя (рис.3.3). Такие заряды называются связанными.

Рис.3.3. Связанные заряды разделить нельзя.

Различают следующие основные виды поляризации диэлектриков.

1) Ориентационная поляризация (полярные диэлектрики).

Молекулы таких веществ уже в начальном состоянии имеют собственный дипольный электрический момент (рис.3.4).

Рис.3.4. Полярная молекула воды.

Электрическим диполем называется система двух связанных между собой равных по величине и противоположных по знаку точечных зарядов. Величина - называется электрическим моментом диполя, - плечо диполя — вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному.

В электрическом поле на диполь действует пара сил (рис.3.5), вследствие чего диполь устанавливается (ориентируется) вдоль силовых линий поля.

 — момент пары сил, действующий на диполь в электрическом поле.

Рис.3.5. Диполь в электрическом поле.

2) Деформационнаяили электронная поляризация (неполярные диэлектрики).

Пример молекул таких веществ: H₂, O₂. Между атомами в молекуле действует ковалентная неполярная связь. «Центры тяжести» положительных и отрицательных ионов совпадают, поэтому в исходном состоянии дипольный электрический момент у такой молекулы отсутствует (рис.3.6).

Рис.3.6. Неполярная молекула водорода.

В электрическом поле электронное облако молекулы деформируется, вследствие чего «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются (рис.3.7), и у молекулы появляется наведённый дипольный момент (β — поляризуемость молекулы).

Рис.3.7. Электронная поляризация.

3) Ионная поляризация (кристаллы).

Ионные кристаллы (например, кристаллы поваренной соли NaCl) построены из положительных и отрицательных ионов, образующих как бы две кристаллические решетки, сдвинутые одна относительно другой на половину периода. Такой кристалл можно рассматривать как одну большую «молекулу» (рис.3.8).

В электрическом поле ионы противоположного знака смещаются друг относительно друга в разные стороны, в результате чего кристалл приобретает макроскопический дипольный электрический момент (β — поляризуемость кристалла). Рис.3.8. Ионная поляризация.

4) Сегнетоэлектрики и пироэлектрики.

Сегнетоэлектрики — особый класс диэлектриков, отличительными свойствами которых являются: 1) диэлектрическая проницаемость ε этих веществ может достигать нескольких тысяч (для сравнения, у такого сильного полярного диэлектрика как вода ε=81); 2) зависимость от не является линейной; 3) при переполяризации сегнетоэлектрика обнаруживается явление гистерезиса (рис.3.9), то есть запаздывание следования за изменением поля ; 4) наблюдается сложная зависимость ε от температуры, причем для каждого сегнетоэлектрика существует такая температура (называемая точкой Кюри), выше которой сегнетоэлектрик утрачивает свои свойства и становится обычным диэлектриком.

 — обычный диэлектрик (линейная зависимость).  — сегнетоэлектрик (нелинейная зависимость). при ,  — остаточная поляризация,  — коэрцитивная сила.

Рис.3.9. Петля гистерезиса в сегнетоэлектриках.

Все перечисленные свойства сегнетоэлектриков объясняются наличием в них особых областей спонтанной (самопроизвольной) поляризации, называемых доменами, на которые распадается объем сегнетоэлектрика. Каждый из доменов, даже в отсутствие внешнего электрического поля, поляризован до насыщения (максимально). Под действием внешнего поля электрические моменты отдельных доменов поворачиваются как целое, устанавливаясь вдоль направления поля. При поляризации до насыщения весь сегнетоэлектрик становится как бы одним большим доменом.

В отличие от сегнетоэлектриков, у которых макроскопический электрический момент в исходном состоянии равен нулю, существует класс похожих веществ, называемых пироэлектриками, которые в исходном состоянии обладают отличной от нуля макроскопической спонтанной поляризацией. Ее появление связано с тем, что в этих веществах «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещены относительно друг друга. В известном смысле можно сказать, что пироэлектрик — это монодоменный сегнетоэлектрик.