Поляризация диэлектриков

Рассмотрим опыт Фарадея. В своих опытах Майкл Фарадей использовал прибор, который состоит из двух концентрических полых шаров. Внешний шар состоит из двух полушарий для того, чтобы между ними можно было заключить внутренний шар.

С помощью проволоки этот внутренний шар связан с другим шариком, находящимся снаружи. Проволока тщательно изолирована. С помощью специального крана, пространство между внешним и внутренним шаром можно заполнить каким-нибудь газом. Для проведения своих экспериментов Фарадей пользовался двумя такими приборами. Фарадей заряжал один из внутренних шаров, а потом измерял заряд с помощью электрометра. После этого, оба шара соединялись проводником, что приводило к перераспределению заряда. Фарадей заметил, что если в обоих приборах он использовал одно и то же вещество, которым заполнял пространство между внешними и внутренними шарами, то заряд делился пополам (то есть распределялся равномерно). Тем не менее, если были использованы разные вещества, то заряд распределялся неравномерно. Исходя из этого, Фарадей предположил, что под действием электрического поля молекулы изолятора подвергаются определенным изменениям.

И это действительно так. В этом можно убедиться, поместив диэлектрик в однородное электрическое поле. Рассмотрим сначала поляризацию полярных диэлектриков. В результате теплового движения, молекулы диэлектрика ориентированы беспорядочно (то есть случайным образом).

Однако, как только на эти молекулы начинает действовать электрическое поле, оно стремиться повернуть молекулу так, чтобы ее ось была направлена вдоль линий напряженности электрического поля.

Дело в том, что каждая молекула полярного диэлектрика представляет собой электрический диполь. Поэтому на каждый из диполей будут действовать две силы, равные по модулю и противоположные по направлению. Это вызовет смещение всех положительных зарядов в направлении электрического поля и смещение всех отрицательных зарядов в противоположную сторону. Это и называется поляризаций. То есть, поляризация — это смещение положительных и отрицательных связанных зарядов диэлектрика в противоположные стороны.

Под связанными зарядами мы понимаем разноименные заряды, входящие в состав атомов или молекул. Эти заряды, конечно, не могут перемещаться независимо друг от друга.

Надо сказать, что тепловое движение не позволяет создать строго упорядоченную ориентацию, при которой все диполи выстроились бы строго вдоль силовых линий электрического поля. Такое могло бы произойти только при очень низких температурах (1-2 К). При более высоких температурах наблюдается лишь частичная ориентация диполей. То есть, большинство диполей будет ориентировано вдоль линий напряженности поля. Тем не менее, некоторые диполи все равно могут быть ориентированы против поля. Заметим, что, несмотря на поляризацию, средний поляризованный связанный электрический заряд будет равен нулю, поскольку разноименные заряды диполей компенсируют друг друга.

Поговорим теперь о поляризации неполярных диэлектриков. Как и в предыдущем примере, мы рассмотрим диэлектрик, находящийся в однородном электрическом поле, создаваемом двумя заряженными пластинами.

В неполярном диэлектрике существуют разноименные заряды, на которые действует электрическое поле. Поскольку заряды разноименные, силы, действующие на заряды со стороны поля, будут направлены в противоположные стороны. Это приводит к деформации молекул. Молекулы растягиваются и их центры распределения положительных и отрицательных зарядов перестают совпадать.

Таким образом, молекулы становятся полярными, и их можно рассматривать как электрические диполи. Оси этих диполей будут направлены вдоль силовых линий, в результате чего возникнет другое поле, создаваемое связанными зарядами. Очевидно, что это поле будет направлено против внешнего поля. Из этого можно заключить, что поле внутри диэлектрика ослабляется — это мы и называем изоляцией. Поле внутри диэлектрика можно вычислить, используя принцип суперпозиции полей:

Напомним, что не так давно мы познакомились с такой величиной, как диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость — это физическая величина, характеризующая изолирующие свойства среды. То есть, степень ослабления поля внутри того или иного диэлектрика характеризуется диэлектрической проницаемостью данного вещества.