Діелектрики в електричному полі

Діелектрик (ізолятор) — речовина, середовище, матеріал, що практично не проводить електричний струм. Основна властивість діелектрика полягає в здатності поляризуватися в зовнішньому електричному полі. Концентрація вільних носіїв заряду в діелектрику не перевищує 108 см−3.

Розглянемо детальніше процеси в діелектрику, вміщеному в зовнішнє електричне поле, наприклад, між різнойменно зарядженими електродами.

У однієї групи діелектриків, званих неполярними, при відсутності зовнішнього (основного) поля позитивно і негативно заряджені частинки, що входять в молекули (атоми), як би врівноважують один одного (власне поле відсутнє); молекули їх є електрично нейтральними або неполярними (рис. 1, а). У таких діелектриків під дією зовнішнього поля відбувається зміщення електричного центру негативних зарядів (електронів) назустріч напрямку поля (рис. 1, б). З точки зору електричних властивостей така молекула в зовнішньому полі може розглядатися як диполь, тобто пара різнойменних точкових зарядів +q і -q (рис. 1,в), які знаходяться на невеликій відстані l один від одного (плече диполя). Заряди, що утворюють диполі діелектрика, називають пов’язаними, а добуток заряду q на плече l називається електричним моментом диполя:

p = ql
Електричний момент розглядають як векторну величину p, спрямовану від негативного заряду диполя до позитивного.

Неполярна молекула

 

Малюнок 1 — неполярна молекула а) при відсутності зовнішнього поля; б) при наявності зовнішнього поля; в) її еквівалентний диполь
Поляризований діелектрик
Малюнок 2 — Поляризований діелектрик
Таким чином, неполярні молекули у зовнішньому полі стають диполями, електричні моменти p яких прагнуть розташуватися в напрямку зовнішнього поля, і діелектрик поляризується (рис. 2). При зникненні зовнішнього поля зміщення зникають і молекули знову стають електрично нейтральними. Розглянута поляризація називається деформаційною.

У кожної групи діелектриків, які називаються полярними, молекули завжди є полярними (електричні центри електронів в молекулах розташовані несиметрично відносно ядер). Полярну молекулу можна вважати диполем з зарядами +q і -q і моментом p = ql. При відсутності зовнішнього поля диполі розміщені хаотично (рис. 3, а) і сумарний електричний момент діелектрика дорівнює нулю. При появі зовнішнього поля його сили прагнуть орієнтувати диполі в напрямку поля. В результаті диполі трохи повернуться в напрямку поля і діелектрик набуває електричного моменту (рис. 3,6). Така поляризація називається орієнтаційною.

При тій чи іншій поляризації діелектрика поле його диполів, або поле поляризації Еп (рис. 4.12), направлено від позитивних до негативних зарядів, тобто протилежно зовнішньому полю Езовн.

полярні молекули

Малюнок 3 — Полярні молекули
Напруженість результуючого поля E, рівна алгебраїчній сумі напруженостей зовнішнього поля і поля поляризації, менше напруженості зовнішнього поля, тобто

E = Езовн — Еп
Чим сильніше поляризується діелектрик, тим слабкіше результуюче поле, тобто менше його напруженість E при тому ж зовнішньому полі, а отже, тим більше його діелектрична проникність Er.

У діелектрика, що знаходиться в періодично змінюваному зовнішньому електричному полі, зміщення зарядів також буде періодичним, що викликає нагрівання діелектрика. Чим з більшою частотою змінюється зовнішнє поле, тим сильніше проходить нагрівання діелектрика. Це явище застосовується для нагріву і сушіння вологих матеріалів, для отримання або прискорення хімічних реакцій, що потребують підвищеної температури.

Потужність, що йде на нагрівання діелектрика при періодичному зміщенню зарядів діелектрика (зв’язаних зарядів) і віднесена до одиниці об’єму, називається питомими діелектричними втратами.