Дипольная модель диэлектрика

Процессы, происходящие в диэлектриках во внешнем поле, легко рассмотреть, если представить диэлектрик как среду, состоящую из электрических диполей. Электрический диполь - система двух разноименных зарядов, которая характеризуется дипольным моментом (Рис.15.1). Эту величину можно определить и так: (15.1)

где - радиус-векторы зарядов.

Такое определение можно распространить на систему зарядов, для которой можно поставить эквивалентный диполь с моментом

(15.8)

Т.о., любую молекулу можно систематично рассматривать как электрический диполь с дипольным моментом.

Типы диэлектриков

Диэлектрики, молекулы которых имеют отличный от нуля дипольный момент, называются полярными. К ним относятся молекулы, имеющие несимметричное строение, например, дипольный момент молекулы СО равен 0,1 D, для паров воды 1,87 D (1 D – (Дебай) = 10^-18 СГС – единица дипольного момента).

Диэлектрики, молекулы которых в отсутствие внешнего поля не имеют дипольного момента, называют неполярным. К ним относятся молекулы, имеющие симметрическое строение, например, метан СН₄.

Вектор поляризации

Для количественного описания свойств диэлектрика используется физическая величина – вектор поляризации r, являющийся количественной мерой процесса поляризации диэлектрика. Он равен дипольному моменту в единице объема

(15.3)

Для однородного и изотропного диэлектрика

(15.4)

где - дипольный момент одной частицы,

n - концентрация.

Поляризация диэлектриков

В отсутствие внешнего поля вектор поляризации неполярного диэлектрика равен нулю. Во внешнем поле равномерные заряды молекул смещаются в разные стороны и молекула приобретает некоторый дипольный момент, направленный вдоль поля.(рис.15.2)

Т.к. внешние поля намного меньше электрического поля внутри молекулы, то такая поляризация носит упругий характер. Вектор поляризации при этом пропорционален электрическому полю. В СИ эта зависимость такая:

(15.5)

Безразмерный коэффициент пропорциональности называют диэлектрической восприимчивостью.

В отсутствие внешнего поля молекулы полярного диэлектрика ориентированы хаотически, и вектор поляризации равен нулю. Действие внешнего поля приводит к частичной ориентации молекулы, на которую действует вращающий момент (Рис.15.3)

F₁=qE, F₂=-qE

Эти силы образуют пару, механический момент которой равен

(15.6)

В результате молекулы приобретают частичную ориентацию (ориентации препятствует тепловое движение), и вектор поляризации становится отличным от нуля. И в этом случае при не слишком больших полях . Рассмотренную группу явлений, приводящую к появлению в объеме диэлектрика отличного от нуля дипольного момента, называют диэлектрической поляризацией.