Диэлектрические свойства веществ в связи с их строением

Проводники и диэлектрики. Общие положения

С точки зрения электрических свойств все вещества делят на два больших класса — вещества, проводящие и не проводящие электрический ток. К первым относят металлы, их сплавы и небольшое число химических соединений с металлическим характером межатомной связи. Ко вторым — остальные вещества, составляющие большинство. Проводимость определяется наличием в веществе свободных носителей тока (электрических зарядов), их отсутствие обусловливает диэлектрические свойства вещества. Итак, диэлектриками называются вещества, в которых отсутствуют свободные заряды, способные перемещаться внутри вещества на большие (по сравнению с межатомными) расстояния. Все диэлектрики в зависимости от строения их молекул можно разделить на две большие группы — полярные и неполярные. В полярных диэлектриках молекулы представляют собой электрические диполи, обладающие электрическими моментами, возникающими за счет смещения электрических зарядов из положения их равновесия в свободных атомах в результате химического связывания (например, молекулы Н20, НС1, NH3 и т.д.). Молекулы- диполи полярного диэлектрика участвуют в тепловом движении, которое может представлять собой перемещение (газы, жидкости) или колебание около положений равновесия (твердые тела, жидкости), а также и вращение вокруг своего центра масс. В отсутствие внешнего электрического поля в результате теплового движения электрические моменты р, диполей полярного диэлектрика хаотически распределены в пространстве по направлениям (рис. 5.21, а).

Таким образом, для диэлектрика, содержащего достаточно большое

N _

число (V диполей, векторная сумма будет равна нулю. Это озна-

/=1

чает, что, несмотря на то, что каждая молекула полярного диэлектрика обладает электрическим дипольным моментом, макроскопический объем диэлектрика в отсутствие внешнего поля электрическим дипольным моментом не обладает (диэлектрик не поляризован).

Диэлектрик вне электрического поля (а) и во внешнем электрическом поле Е (б)

Рис. 5.21. Диэлектрик вне электрического поля (а) и во внешнем электрическом поле Е0 (б)

Молекулы неполярного диэлектрика сами по себе дипольным моментом не обладают. Это значит, что положения центров масс положительных и отрицательных зарядов его молекул совпадают. Примерами неполярных молекул являются Н2, CCLt, СьНб, СН4 и др. Естественно, что и в этом случае макроскопический объем диэлектрика не обладает результирующим дипольным моментом в отсутствие внешнего электрического поля.

Если, однако, внести тот или другой изотропный диэлектрик во внешнее электрическое поле (которое в этом разделе мы будем обозначать Е0), то под действием различных процессов, которые рассмотрим позже подробнее, диэлектрик поляризуется (см. рис. 5.21, б), т.е. приобретет отличный от нуля результирующий дипольный момент

. Для количественного описания этого свойства (явления

или процесса поляризации диэлектрика) вводится понятие поляризованное™ вещества, которому соответствует физическая величина — вектор поляризованности Р (или просто поляризованность'), численно равный электрическому дипольному моменту единицы объема диэлектрика. По этому определению поляризованность — это

1 Следует различать явление (процесс, состояние поляризованности) и соответствующую ему физическую величину, также называемую поляризованностью.

В этом выражении AV есть так называемый физически бесконечно малый объем, т.е. объем, содержащий достаточно много диполей, чтобы векторная сумма в (5.61) адекватно отражала макроскопическое состояние диэлектрика в нем, но одновременно представляла бы его микроскопические свойства, характерные для локальных характеристик. Таким образом, физически бесконечно малый объем — это условно определяемая величина, зависящая от конкретной задачи.

Важно, что сумма в (5.61) является векторной. В случаях когда все N диполей одинаковы, т.е. электрические дипольные моменты равны и ориентированы вдоль одного направления (скажем вдоль Ох), выражение (5.61) в проекциях на это направление можно переписать в виде

где п — концентрация диполей; р= рх (так как все векторы р ориентированы вдоль оси Ох). Таким образом, Рх — максимальная поляризованность системы N диполей или поляризованность насыщения.

Для описания электрических свойств диэлектриков существует два подхода: феноменологический (макроскопический), который включает в себя описание макроскопических свойств и характеристик диэлектрика, и микроскопический, который предполагает описание свойств и явлений, протекающих в диэлектрике на атомно-молекулярном уровне. Рассмотрим сначала поведение диэлектрика во внешнем электрическом поле с макроскопической точки зрения.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >