Диэлектрики. Свободные и связанные заряды. Поляризация диэлектриков. Роль диэлектриков в конденсаторе

Диэлектрик (от греч. dia – через, сквозь и англ. electric – электрический) – вещества, практически не проводящие электрический ток и в которые проникает электрическое поле (пластмассы, керамика, не ионизованные газы, непроводящие жидкости и т.п.)

Свободные заряды имеются в любом проводнике, они могут достаточно свободно перемещаться в пределах проводника.

В диэлектриках нет «свободных» зарядов, которые могли бы перемещаться по всему образцу. Заряды, входящие в состав молекул диэлектрика, прочно связанны между собой и способны перемещаться только в пределах своей молекулы на расстояние порядка см.

Не скомпенсированные заряды, появляющиеся в результате поляризации диэлектрика, называют поляризационными или связанными.

Последним термином хотят подчеркнуть, что свобода перемещения таких зарядов ограничена. Они могут смещаться лишь внутри электрически нейтральных молекул.

Явление возникновения электрических зарядов на поверхности диэлектриков в электрическом поле называется поляризацией. Возникающие при этом заряды – поляризационными.

В проводниках (например, металлах) имеются свободные заряды, которые можно разделить.

В диэлектриках заряды смещаются лишь в пределах отдельных молекул, поэтому их разделить нельзя. Такие заряды называются связанными.

Различают следующие основные виды поляризации диэлектриков.

1) Ориентационная поляризация (полярные диэлектрики).

Молекулы таких веществ уже в начальном состоянии имеют собственный дипольный электрический момент .

Электрическим диполем называется система двух связанных между собой равных по величине и противоположных по знаку точечных зарядов. Величина - называется электрическим моментом диполя, - плечо диполя – вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному.

В электрическом поле на диполь действует пара сил, вследствие чего диполь устанавливается (ориентируется) вдоль силовых линий поля.

- момент пары сил, действующий на диполь в электрическом поле.

2) Деформационная или электронная поляризация (неполярные диэлектрики).

Пример молекул таких веществ: H2, O2. Между атомами в молекуле действует ковалентная неполярная связь. «Центры тяжести» положительных и отрицательных ионов совпадают, поэтому в исходном состоянии дипольный электрический момент у такой молекулы отсутствует.

В электрическом поле электронное облако молекулы деформируется, вследствие чего «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются, и у молекулы появляется наведённый дипольный момент (β - поляризуемость молекулы).

3) Ионная поляризация (кристаллы).

Ионные кристаллы (например, кристаллы поваренной соли NaCl) построены из положительных и отрицательных ионов, образующих как бы две кристаллические решетки, сдвинутые одна относительно другой на половину периода. Такой кристалл можно рассматривать как одну большую «молекулу».

В электрическом поле ионы противоположного знака смещаются друг относительно друга в разные стороны, в результате чего кристалл приобретает макроскопический дипольный электрический момент (β – поляризуемость кристалла).

4) Сегнетоэлектрики и пироэлектрики.

Сегнетоэлектрики – особый класс диэлектриков, отличительными свойствами которых являются: 1) диэлектрическая проницаемость ε этих веществ может достигать нескольких тысяч (для сравнения, у такого сильного полярного диэлектрика как вода ε=81); 2) зависимость от не является линейной; 3) при переполяризации сегнетоэлектрика обнаруживается явление гистерезиса, то есть запаздывание следования за изменением поля ; 4) наблюдается сложная зависимость ε от температуры, причем для каждого сегнетоэлектрика существует такая температура (называемая точкой Кюри), выше которой сегнетоэлектрик утрачивает свои свойства и становится обычным диэлектриком.

- обычный диэлектрик (линейная зависимость). - сегнетоэлектрик (нелинейная зависимость). при , - остаточная поляризация, - коэрцитивная сила.

Все перечисленные свойства сегнетоэлектриков объясняются наличием в них особых областей спонтанной (самопроизвольной) поляризации, называемых доменами, на которые распадается объем сегнетоэлектрика. Каждый из доменов, даже в отсутствие внешнего электрического поля, поляризован до насыщения (максимально). Под действием внешнего поля электрические моменты отдельных доменов поворачиваются как целое, устанавливаясь вдоль направления поля. При поляризации до насыщения весь сегнетоэлектрик становится как бы одним большим доменом.

В отличие от сегнетоэлектриков, у которых макроскопический электрический момент в исходном состоянии равен нулю, существует класс похожих веществ, называемых пироэлектриками, которые в исходном состоянии обладают отличной от нуля макроскопической спонтанной поляризацией. Ее появление связано с тем, что в этих веществах «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещены относительно друг друга. В известном смысле можно сказать, что пироэлектрик – это монодоменный сегнетоэлектрик.

Диэлектрик (изолятор) — вещество, практически не проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10⁸ см⁻³. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле.

Роль диэлектриков в практической электротехнике огромна. Без них невозможна была бы электризация тела, а, следовательно, и использование электрической энергии. Из диэлектриков изготовляются разнообразные изолирующие материалы, которые широко используются во всевозможных электрических машинах и приборах, а также в проводах, передающих электрическую энергию от источников тока к приемникам.

Наиболее рациональный способ увеличения емкости конденсатора - это применение подходящего диэлектрика между его обкладками.

Поиск по сайту: