Диэлектрики — это вещества, которые в обычных условиях практически не проводят электрический ток. Проводимость диэлектриков в 1015 ÷ 1020 раз хуже, чем у проводников. Такая низкая проводимость диэлектриков вызвана тем, что у них практически отсутствуют свободные носители заряда. Примерами диэлектриков являются все газы (неионизированные), дистиллированная вода, бензол, растительные масла, синтетические масла, стекло, фарфор, слюда и пр.

Диполь. Электрически нейтральную молекулу диэлектрика представляют в виде диполя (рис. 8.7).

Рис. 8.7. Диполь в электрическом поле

Если в молекуле центр тяжести электронов не совпадает с центром тяжести положительного заряда (т.е.,  смещен относительно ), то между ними возникает электрическое поле, а такую систему называют диполем. На рис. 8.7 диполь обычно изображают в виде палочки длиной l с зарядами + q и – q на ее концах.

Электрический момент диполя

Попав во внешнее электрическое поле, диполь ориентируется (см. рис. 8.7).

Поляризация диэлектриков — это ориентация электрических моментов его молекул (диполей) под действием электрического поля.

Вектор поляризации (поляризованность) — есть результирующая ориентация диполей или суммарный электрический момент единицы объема диэлектрика V. Тогда

Заметим, что речь идет о векторной сумме, следовательно, даже при ненулевых значениях электрических моментов отдельных диполей  результирующая поляризация может оказаться нулевой Поляризация полярных и неполярных диэлектриков несколько отличается своим механизмом. Рассмотрим эти механизмы более подробно.

Неполярные диэлектрики — диэлектрики, в которых центры положительного и отрицательного зарядов совпадают в отсутствии внешнего электрического поля, а молекула в этом случае не образует диполя. Примерами неполярных диэлектриков являются благородные газы, полиэтилен, тефлон; электрический момент молекул этих диэлектриков p = 0 при E = 0, он возникает только под действием электрического поля.

Поляризация неполярных диэлектриков. Итак, в отсутствии внешнего электрического поля неполярный диэлектрик не имеет поляризации (имеет нулевую поляризацию). Это вызвано тем, что центры масс положительного и отрицательного зарядов каждого атома совпадают друг с другом, и диполей не образуется. При помещении неполярного диэлектрика во внешнее электрическое поле молекулы «растягиваются», становясь диполями. Такое «растяжение» или деформация молекул вызвана тем, что центры масс «плюсов» и «минусов» притягиваются соответствующим полюсом внешнего электрического поля. В результате неполярный диэлектрик поляризуется (рис. 8.8).

Рис. 8.8. Поляризация неполярных диэлектриков

Поляризация неполярных диэлектриков мало зависит от температуры. Внутри диэлектрика возникает преимущественная ориентация диполей. Это означает, что в основном диполи сориентированы в определенном направлении. Четкой ориентации препятствует жесткая структура вещества диэлектрика.

А теперь важный момент. Внутри нашего диэлектрика сейчас существует собственное электрическое поле, подобно полю, возникающему в металле, находящемуся во внешнем поле. Это собственное внутреннее поле противоположно внешнему по направлению. Но, в отличие от металла, собственное поле диэлектрика не равно внешнему по величине. Следовательно, внутреннее поле диэлектрика лишь ослабляет внешнее (в ε раз), а не компенсирует его полностью, как это происходит в металле. Последнее происходит из-за различий в структуре металла и диэлектрика: в металле достаточно свободных электронов для того, чтобы внутри индуцировался заряд, полностью компенсирующий внешнее поле, каким бы оно ни было. В диэлектрике же свободных зарядов нет вообще, индукции не происходит, а поляризация возникает в результате преимущественной ориентации диполей. И если таковая уже имеется, то увеличить ее уже нельзя.

Полярные диэлектрики — диэлектрики, в которых молекулы даже без воздействия внешнего электрического поля являются диполями. Примерами полярных диэлектриков являются вода, полистирол, плексиглас; электрический момент молекул этих диэлектриков  при E = 0.

Поляризация полярных диэлектриков. Рассмотрим механизм поляризации полярного диэлектрика. В отсутствии внешнего электрического поля полярный диэлектрик, состоящий из диполей, имеет суммарную поляризацию, равную нулю, поскольку диполи ориентированы хаотично и преимущественного направления их ориентации просто не существует. При помещении полярного диэлектрика во внешнее электрическое поле диполи, аналогично неполярному диэлектрику, приобретают преимущественную ориентацию. В результате полярный диэлектрик поляризуется (рис. 8.9).

Рис. 8.9. Поляризация полярных диэлектриков

Аналогично поведению неполярного диэлектрика, полярный диэлектрик поляризуется таким образом, что ослабляет внешнее электрическое поле в ε раз. Поляризация полярных диэлектриков существенно зависит от температуры.

Зависимость диэлектрической проницаемости ε от температуры. При повышении температуры диэлектрика повышается кинетическая энергия его атомов, которая переходит в энергию их колебаний. Другими словами, увеличивается амплитуда колебаний атомов, что препятствует ориентации диполей. В результате суммарная поляризация диэлектрика ослабляется, следовательно, ослабляется и собственное электрическое поле диэлектрика. Это приводит к тому, что такой диэлектрик хуже ослабляет внешнее поле, т.е. диэлектрическая проницаемость диэлектрика ε уменьшается. И наоборот: при понижении температуры диэлектрика его диэлектрическая проницаемость увеличивается.

Таким образом, несмотря на то, что мы считаем ε = const, для полярных диэлектриков все-таки наблюдается зависимость диэлектрической проницаемости от температуры.

Пример

Дано: имеется цилиндрический конденсатор радиуса R. Радиус внутренней обкладки конденсатора равен r. Между обкладками конденсатора находится диэлектрик с диэлектрической проницаемостью ε. Диэлектрик состоит из двух слоев, толщина внутреннего слоя d. Определить падение напряжения U1/U2 во внутреннем и внешнем слоях диэлектрика соответственно.

Решение: из соотношения между напряженностью и потенциалом (8.2) следует, что отношение падения потенциалов в слоях равно отношению напряженностей в этих слоях, а именно

Определим далее общее выражение для определения напряженности поля в цилиндрическом конденсаторе. Из выражения (8.6) следует, что

(1)

В то же время из выражения (8.5) следует

В последнее выражение подставим λ из (1):

Далее определим падения напряжений в слоях

Аналогично

Окончательно, искомое отношение есть


Сегнетоэлектрики. Гистерезис. Некоторые полярные диэлектрики способны к самопроизвольной поляризации. Такие диэлектрики называют сегнетоэлектриками. Примерами являются сегнетовая соль, метатитанат бария.

Процесс поляризации сегнетоэлектриков сильно нелинеен и называется гистерезисом. График такого процесса представлен на рисунке 8.10 и называется петлей гистерезиса.

Рис. 8.10. Петля гистерезиса

Сегнетоэлектрик помещается во внешнее электрическое поле E, вследствие чего приобретает поляризованность P (см. рис. 8.10, участок 0 → 1). Этот процесс — нелинейный. При значительном увеличении величины внешнего электрического поля поляризованность сегнетоэлектрика достигает максимума и перестает расти по причинам, описанным выше (см. рис. 8.10, точка 1). Если затем отключить внешнее электрическое поле (участок 1 → 2), то вещество не вернется в исходное состояние, а сохранит остаточную поляризованность (точка 2).

Чтобы избавиться от остаточной поляризованности, необходимо поместить сегнетоэлектрик в электрическое поле противоположного направления, имеющее определенное значение (точка 3). Величина этого поля называется коэрцитивной силой. То есть коэрцитивная сила — это такое значение внешнего поля, которое нужно приложить, чтобы снять остаточную поляризованность. Далее процесс намагничивания сегнетоэлектрика повторяется так, как показано на рис. 8.10.

Заметим, что никаким способом нельзя вернуть сегнетоэлектрик в исходное состояние (точку 0).

Свойство гистерезиса проявляется лишь в определенном интервале температур. При температурах выше некоторой T > TKu, называемой точкой Кюри, сегнетоэлектрик теряет свои свойства и становится обычным полярным диэлектриком.

Для диэлектриков характерно и еще одно свойство под названием пьезоэффект.

Прямой пьезоэффект — поляризация диэлектрика под действием механического воздействия на диэлектрик (растяжение, сжатие). Механизм поляризации проиллюстрирован на рисунке 8.11.

Рис. 8.11. Прямой пьезоэффект

На рис. 8.11 изображена электрически нейтральная молекула пьезоэлектрика, которая при механической деформации меняет свою геометрию. В результате центры масс положительных и отрицательных зарядов смещаются и возникают условия для возникновения поляризации. Прямой пьезоэффект применяется в пьезозажигалках, манометрах, датчиках механических напряжений, измерителях вибрации, микроэлектронике.

Обратный пьезоэффект часто проявляется в виде вибрации пластинки пьезоэлектрика под действием переменного электрического поля. Другими словами, электрическое поле, воздействуя на пьезоэлемент, вызывает механическую деформацию (изменение размеров) пьезоэлемента. Обратный пьезоэффект применяется для возбуждения ультразвука, стабилизации частоты электрических колебаний (например, в электронных часах).

Важно запомнить

  1. Электрический момент диполя:
  2. Вектор поляризации:
Последнее изменение: четверг, 15 Сентябрь 2016, 16:07