Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Под действием электрического поля в веществе происходит перемещение электрических зарядов. Различают свободные и связанные электрические заряды. В зависимости от преобладания того или иного вида зарядов различают проводники и диэлектрики. При помещении проводника в электрическое поле в нем происходит перемещение свободных зарядов под действием электрических сил. Тем самым осуществляется объемная поляризация среды, то есть пространственное разобщение разноименных электрических зарядов – разведение их в разные участки макроскопического по сравнению с размерами молекул, объема. Разобщенные заряды полностью экранируют внутренность проводника от внешнего электрического поля, вызвавшего объемную поляризацию. Поэтому внутри проводника поле отсутствует (эффект Фарадея).

Движение свободных электрических зарядов под действием внешнего электрического поля называют током проводимости I_пр. Величина тока проводимости подчиняется закону Ома:

I_пр = U/R (1),

где U – напряжение, R – сопротивление проводника. Выражение (1) может быть преобразовано в виду:

j_пр = lE (2).

Здесь j_пр – плотность тока проводимости [Aм^-2], l - удельная электропроводность среды [См м^-1], а Е –напряженность электрического поля в данной точке среды. Выражение (2) называется законом Ома в дифференциальной форме. Он справедлив для любых сред, которые содержат свободные заряды.

В среде, кроме свободных, могут присутствовать связанные электрические заряды, входящие в состав атомов и молекул. Под действием поля такие заряды не могут свободно перемещаться, но могут изменять свою ориентацию относительно исходного положения.

Простейшей системой связанных зарядов является электрический диполь, представляющий собой систему двух одинаковых по величине и противоположных по знаку электрических зарядов, находящихся на расстоянии l. Диполь характеризуется электрическим дипольным моментом р = q×l. Его размерность – Кл×м. Внесистемная единица измерения – Дебай (Д): 1Д = 3,3×10^-30 Кл м. Дипольный момент – векторная величина. Он направлен от отрицательного заряда к положительному.

На дипольный момент, помещенный в однородное электрическое поле, действует пара сил, момент которой равен:

М = рЕsina (3),

где a - угол между направлениями р и Е. Таким образом, внешнее электрическое поле стремится упорядочить расположение диполей, выстраивая их по направлению силовых линий.

Различают полярные и неполярные диэлектрики. Полярные – подобны по строению электрическому диполю: вода, аммиак, эфир, ацетон. Неполярные – не обладают дипольным моментом: H₂, N_2.. Существуют также кристаллические диэлектрики, где различные по знаку заряды локализуются в разных местах кристаллической решетки.

Как было сказано, при помещении в электрическое поле полярные молекулы поворачиваются по направлению поля – это так называемая ориентационная поляризация.

Неполярные молекулы в электрическом поле приобретают дипольный момент за счет деформации электронных орбит – происходит электронная поляризация.

В кристаллических диэлектриках происходит смещение узлов кристаллической решетки – ионная поляризация. Все виды поляризации приводят к появлению связанных зарядов на поверхности диэлектрика, вследствие чего ослабляется напряженность электрического поля внутри вещества Е: Е = Е₀/e, где Е₀ – напряженность электрического поля вне вещества, а e - относительная диэлектрическая проницаемость вещества. Для воды e = 81. Эффект поляризации характеризуется вектором поляризации, который равен суммарному дипольному моменту молекул, содержащихся в единице объема диэлектрика:

Р = р_i/ V (4),

где суммирование производится по всем молекулам, содержащимся в объеме V. Как показывает опыт, в электрических полях малой напряженности вектор поляризации пропорционален напряженности электрического поля внутри диэлектрика:

Р = ke₀Е (5),

где k - безразмерный параметр, характеризующий поляризуемость диэлектрика и называемый диэлектрической восприимчивостью. Из рассмотрения напряженности поля внутри диэлектрика следует, что:

e =k + 1 (6).

Это соотношение показывает, что ослабление внешнего поля внутри диэлектрика происходит за счет эффекта поляризации. Чем больше поляризация (чем больше k), тем больше ослабление поля в диэлектрике (e). На границе диэлектрика часть силовых линий напряженности поля обрывается на связанных зарядах. Таким образом, в неоднородных диэлектриках, которые представляют собой слоеный пирог, оказывается неудобным пользоваться вектором Е, поскольку он разный в разных слоях. Чтобы избежать этого, вводят вектор электрической индукции:

D =ee₀Е (7).

Его силовые линии не терпят разрыва на границе раздела, и он одинаков как внутри, так и вне диэлектрика. Целесообразность использования вектора D определяется конкретной конфигурацией диэлектрика и конкретной задачей по нахождению электрического поля в веществе (конкретными граничными условиями). Уравнение (7) называется материальным уравнением Максвелла. С учетом (6) его можно переписать в виде:

D = e₀E + P (8).

В анизотропных диэлектриках направления D и Е не совпадают. Есть вещества, где значения e аномально большие (до нескольких тысяч). Они называются сегнетоэлектриками. Свойства сегнетоэлектриков объясняются особенностями их строения: в них есть области, называемые доменами, где дипольные моменты отдельных молекул упорядочены за счет взаимодействия между молекулами. В отсутствие внешнего поля векторы поляризации соседних доменов ориентированы хаотично и компенсируют друг друга. Внешнее поле поворачивает не отдельные молекулы, а целые области – домены. В сегнетоэлектриках нарушается линейная связь между Е и Р.

Опыт показывает, что в некоторых диэлектриках (например, в кварце) поляризация может возникнуть без внешнего электрического поля, если кристалл подвергается механической деформации. Это происходит вследствие смещения кристаллических слоев решетки относительно друг друга. Возникновение разности потенциалов между обкладками диэлектрика носит название пьезоэффекта. Обратный пьезоэффект – деформация кристаллического диэлектрика, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, при помещении его в электрическое поле используется при преобразовании электромагнитных колебаний в механические.

Поиск по сайту: