Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков

ТИПЫ ДИЭЛЕКТРИКОВ. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Три типа диэлектриков

Диэлектрики с неполярными молекулами

Вещества, молекулы которых имеют симметричное строение, т. е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают и, следовательно, дипольный момент молекулы равен нулю. Молекулы таких диэлектриков называются неполярными. Под действием внешнего электрического поля заряды неполярных молекул смещаются в противоположные стороны (положительные по полю, отрицательные против поля) и молекула приобретает дипольный момент.

Примеры: N2, Н2, О2, СО2, СН4,....

Диэлектрики с полярными молекулами

Вещества, молекулы которых имеют асимметричное строение, т. е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Таким образом, эти молекулы в отсутствие внешнего электрического поля обладают дипольным моментом. Молекулы таких диэлектриков называются полярными. При отсутствии внешнего поля, однако, дипольные моменты полярных молекул вследствие теплового движения ориентированы в пространстве хаотично и их результирующий момент равен нулю. Если такой диэлектрик поместить во внешнее поле, то силы этого поля будут стремиться повернуть диполи вдоль поля и возникает отличный от нуля результирующий дипольный момент.

Примеры: Н2О, NH3, SO2, CO, ... .

Ионные диэлектрики

Вещества, молекулы которых имеют ионное строение. Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков. В этих кристаллах нельзя выделить отдельные молекулы, а рассматривать кристаллы можно как систему двух вдвинутых одна в другую ионных подрешеток. При наложении на ионный кристалл электрического поля происходит некоторая деформация кристаллической решетки или относительное смещение подрешеток, приводящие к возникновению дипольных моментов. (NaCl, KC1, КВг).

Поляризация диэлектриков и ее виды

Поляризация диэлектриков - процесс ориентации диполей или появления под воздействием внешнего электрического поля ориентированных по полю диполей.

Три типа поляризации

Электронная (деформационная):

Поляризация диэлектрика с неполярными молекулами, заключающаяся в возникновении у атомов индуцированного дипольного момента за счет деформации электронных орбит.

Ориентационная (дипольная)

Поляризация диэлектрика с полярными молекулами, заключающаяся в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул по полю. Тепловое движение препятствует полной ориентации молекул, но в результате совместного действия обоих факторов (электрическое поле и тепловое движение) возникает преимущественная ориентация дипольных моментов молекул по полю. Эта ориентация тем сильнее, чем больше напряженность электрического поля и ниже температура.

Ионная 

Поляризация диэлектриков с ионными кристаллическими решетками, заключающаяся в смещении подрешетки положительных ионов вдоль поля, а отрицательных — против поля, приводящем к возникновению дипольных моментов.

НАПРЯЖЕННОСТЬ ПОЛЯ В ДИЭЛЕКТРИКЕ

Дипольный момент единицы объема диэлектрика.

                                       (1)

где — дипольный момент диэлектрика при его помещении во внешнее электрическое поле; V — объем диэлектрика; — дипольный момент молекулы.

Связь векторов и :

  ,                                        (2)

где ϰ – диэлектрическая восприимчивость вещества, всегда большая 0.Эта линейная зависимость наблюдается для изотропных диэлектриков и не слишком больших.

Описание поля в диэлектрике

Поляризация диэлектрика во внешнем электрическом поле

Диэлектрик, помещенный во внешнее однородное электрическое поле , которое создается двумя разноименно заряженными плоскостями с поверхностной плотностью у, поляризуется. При этом происходит смещение зарядов: положительных — по полю, отрицательных — против поля. На правой грани диэлектрика будет избыток положительного заряда с поверхностной плотностью, на левой — отрицательного заряда. Эти нескомпенсированные заряды, появляющиеся в результате поляризации диэлектрика, называются связанными. .

Результирующее поле внутри диэлектрика:

= - поле, созданное двумя заряженными плоскостями.

Поле связанных зарядов направлено против внешнего поля Ео (поля, создаваемого свободными зарядами) и ослабляет его.

                                               (3)

Поверхностная плотность связанных зарядов равна поляризованности:

.                                                (4)

Подставим выражения (2) и (4) в (3), получим:

,                                        (5)

где - диэлектрическая проницаемость среды.

Диэлектрическая проницаемость среды - безразмерная величина, показывающая, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком, количественно характеризуя свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле:

Электрическое смещение

Необходимость введения электрического смещения

Вектор, переходя через границу диэлектриков, претерпевает скачкообразное изменение, создавая неудобства для расчета полей. Поэтому вводят вектор электрического смещения, который свободен от этих недостатков.

Электрическое смещение для изотропной среды

[Кл/м2 ]

где —электрическая постоянная; — диэлектрическая проницаемость среды; — напряженность электрического поля.

Физический смысл вектора электрического смещения

Результирующее поле в диэлектрике описывается вектором (он зависит от свойств диэлектрика). Вектор описывает электростатическое поле, создаваемое свободными зарядами. Связанные заряды, возникающие в диэлектрике, могут вызвать, однако, перераспределение свободных зарядов, создающих поле. Поэтому вектор D характеризует электростатическое поле, создаваемое свободными зарядами (т. е. в вакууме), но при таком их распределении в пространстве, какое имеется при наличии диэлектрика.

Линии электрического смещения - линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением.

Направление и густота линий электрического смещения определяются так же, как и для линий вектора .

Линии вектора могут начинаться и заканчиваться на любых зарядах — свободных и связанных, в то время как линии вектора — только на свободных зарядах. Через области поля, где находятся связанные заряды, линии вектора проходят не прерываясь.

Поток вектора электрического смещения

Поток вектора электрического смещения сквозь площадку dS:

— вектор, модуль которого равен dS, а направление совпадает с направ­лением к площадке.

Поток вектора электрического смещения сквозь замкнутую поверхность S:

[Кл]

Интеграл берется по замкнутой поверхности S. Поток вектора — алгебраическая величина (зависит от конфигурации поля и от выбора направления нормали ).

Теорема Гаусса для поля в диэлектрике

Теорема Гаусса (в случае дискретного распределения зарядов): поток вектора смещения электростатического поля в диэлектрике сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности свободных электрических зарядов.

В такой форме теорема Гаусса справедлива для электростатического поля как для однородной и изотропной, так и для неоднородной и анизотропной сред.

Теорема Гаусса (в случае непрерывного распределения зарядов)

Поток вектора смещения электростатического поля в диэлектрике сквозь произвольную замкнутую поверхность равен свободному заряду, заключенному в объеме, ограниченном этой поверхностью.

Условия на границе раздела двух диэлектрических сред.

Тангенциальные составляющие векторов и на границе раздела

Граница раздела двух однородных изотропных диэлектриков при отсутствии на границе свободных зарядов.

Тангенциальные составляющие векторов и

Согласно теореме о циркуляции

где ABCDA — небольшой замкнутый контур вблизи границы раздела. Тогда (интегралы по участкам ВС и DА ничтожно малы), откуда .

Тангенциальные составляющие векторов    и

; , значит  

— электрическая постоянная;    и— соответственно диэлектрические про­ницаемости первого и второго диэлектрика

Нормальные составляющие векторов и на границе раздела

Граница раздела двух однородных изотропных диэлектриков при отсутствии на границе свободных зарядов. На границе построим прямой цилиндр ничтожной высоты. Одно основание цилиндра – в первом диэлектрике, второе – во втором. Основания настолько малы, что в пределах каждого из них одинаков.

Нормальные составляющие векторов    и

Согласно теореме Гаусса для поля в диэлектрике,

и к основаниям построенного прямого цилиндра ничтожной высоты с одним основанием в одном диэлектрике, другом — во втором направлены противоположно, откуда

/

Нормальные составляющие векторов и  .

,

Так как при переходе через границу раздела двух диэлектрических сред тангенциальная составляющая Е и нормальная составляющая D изменяются непрерывно (не претерпевают скачка), а нормальная составляющая Е и тангенциальная составляющая D претерпевают скачок, следовательно линии этих векторов испытывают излом (преломляются).

Входя в диэлектрик с большей диэлектрической проницаемостью линии Е и D удаляются от нормали

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ

Сегнетоэлектрики - диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью, т. е. поляризованностыо в отсутствие внешнего электрического поля. Примеры: сегнетова соль NaKC4H4O6 *4Н2О (от нее название сегнетоэлектрики) и титанат бария BaTiO3.

Строение сегнетоэлектриков. В отсутствие внешнего электрического поля сегнетоэлектрик — как бы мозаика из доменов — областей с различными направлениями поляризованности . В смежных доменах эти направления разные, и дипольный момент диэлектрика равен нулю. Во внешнем поле происходит переориентация дипольных моментов доменов сегнетоэлектрика по полю, а возникшее при этом суммарное электрическое поле доменов будет поддерживать их некоторую ориентацию и после прекращения действия внешнего поля. Поэтому сегнетоэлектрики имеют аномально большие значения диэлектрической проницаемости (для сегнетовой соли, например, ).

Точка Кюри - определенная температура для каждого сегнетоэлектрика, выше которой он становится обычным диэлектриком.

Сегнетоэлектрики имеют одну точку Кюри (исключение — сегнетова соль ( -18 и+240С)). Вблизи точки Кюри наблюдается резкий рост теплоемкости вещества. Превращение сегнетоэлектрика в обычный диэлектрик сопровождается фазовым переходом II рода.

Петля гистерезиса

Для сегнетоэлектриков связь между поляризованностью Р и напряженностью Е

нелинейная и зависит от значений Е в предшествующие моменты времени. С увеличением Е внешнего поля Р растет, достигая насыщения (кривая 1). Уменьшение Р с уменьшением Е происходит по кривой 2, и при Е = 0 сегнетоэлектрик сохраняет остаточную поляризованность Рос. Чтобы ее уничтожить, надо приложить электрическое поле обратного направления (-Ес). Ес — коэрцитивная сила. Если Е изменять далее, то Р изменяется по кривой 3 петли гистерезиса.