Учебное пособие: Теорема Остроградського-Гаусса, потенціальний характер електростатичного поля та діелектрики в електричному полі
Розглянемо причини поляризації діелектриків. Якщо внести в електричне поле діелектрик, побудований із неполярних молекул, то під дією поля всі молекули набувають дипольний момент, паралельний зовнішньому полю (мал. 5).
Рис. 3
В результаті цього на протилежних поверхнях, перпендикулярних до поля, виникають заряди протилежного знаку. Така поляризація називається електронною або деформаційною. В цьому випадку діелектрик в цілому набуває дипольний момент і створює в просторі електричне поле.
Якщо діелектрик з полярними молекулами не знаходиться в електричному полі, то внаслідок хаотичного теплового руху дипольні моменти окремих молекул орієнтуються в просторі безладно. Тому, векторна сума дипольних моментів всіх молекул дорівнює нулю, і діелектрик в цілому не має дипольного моменту. При внесенні такого діелектрика в електричне поле жорсткі диполі намагаються повернутись так, що вектори їх дипольних моментів співпали по напрямку з вектором Е. Але тепловий рух перешкоджає строгій орієнтації моментів диполів. Тому, моменти приймають тільки переважну орієнтацію по напрямку зовнішнього поля (рис. 6). Ця орієнтація буде тим більшою, чим сильніше зовнішнє поле і чим нижча температура діелектрика. Такий вид поляризації називають дипольною або орієнтаційною поляризацією.
Рис. 4
При підвищенні напруженості поля (при постійній температурі) досягається такий стан, коли практично всі диполі уже повернуті в напрямку поля. При цьому підвищення напруженості поля уже не буде викликати збільшення поляризації діелектрика, тобто наступає насичення.
Нарешті, коли в електричному полі розмістити діелектрик з іонною решіткою, то під дією поля всі додатні іони змістяться в напрямку поля, а всі від’ємні іони проти поля. Цей вид поляризації називають іонною поляризацією.
Заряди, які з’являються на поверхні діелектрика, при поляризації неможливо зняти. Тому їх називають зв’язаними.
Таким чином, поляризація полягає в обмеженому зміщенні зв’язаних зарядів або орієнтації дипольних молекул під впливом електричного поля.
Внаслідок поляризації на паралельних гранях з’являються зв’язані заряди, які створюють власне поле. Поза діелектриком напрямок поля зв’язаних зарядів співпадає з напрямком зовнішнього поля, а всередині діелектрика – протилежно йому. Таким чином, внаслідок поляризації діелектрика напруженість поля поза ним збільшується, а всередині – зменшується. Це призводить до зміни зовнішнього електричного поля в області діелектрика.
Розглянемо характеристики поляризованого діелектрика. Нехай даний діелектрик має форму прямого паралелепіпеда довжиною l. Позначимо площу основи через S, а величину зв’язаного на поверхні основи заряду через q. Тоді одержуємо поверхневу густину зв’язаних зарядів:
(1)
Поляризований діелектрик володіє дипольним електричним моментом, рівним
, (2)
де l – вектор, чисельно рівний віддалі між зарядами і напрямлений від від’ємного заряду до додатного.
За міру поляризації діелектрика приймають дипольний момент одиниці об’єму діелектрика:
(3)
Дипольний (електричний) момент одиниці об’єму діелектрика називають вектором поляризації.
Із формули (3) видно, що вектор поляризації чисельно дорівнює поверхневій густині зарядів.
З другого боку, якщо позначити дипольний момент однієї 1-ої молекули через «Рі », то вектор поляризації буде рівний
(4)
З формули (3) видно, що розмірність вектора поляризації в системі СІ Кл/м2, тобто співпадає з розмірністю вектора електричного зміщення.
Вектор поляризації пропорційний напруженості електричного поля
,
де безрозмірний множник c (незалежна від Е величина) називається діелектричною сприйнятливістю. Вона характеризує податливість речовини до електричної поляризації і залежить від її будови.
Внаслідок поляризації напруженість поля в діелектриці (як відмічалось вище) менше від напруженості зовнішнього кола.
Поле всередині діелектрика