Диэлектрики в электрическом поле

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

Рассмотрим подробнее процессы в диэлектрике, помещенном во внешнее электрическое поле, например, между разноименно заряженными электродами.

У одной группы диэлектриков, называемых неполярными, при отсутствии внешнего (основного) поля положительно и отрицательно заряженные частицы, входящие в молекулы (атомы), как бы уравновешивают друг друга (собственное поле отсутствует); молекулы их являются электрически нейтральными или неполярными (рис. 1, а). У таких диэлектриков под действием внешнего поля происходит смещение электрического центра отрицательных зарядов (электронов) навстречу направлению поля (рис. 1, б). С точки зрения электрических свойств такая молекула во внешнем поле может рассматриваться как диполь, т.е. пара разноименных точечных зарядов +q и -q (рис. 1,в), находящихся на небольшом расстоянии l друг от друга (плечо диполя). Заряды, образующие диполи диэлектрика, называют связанными, а произведение заряда q на плечо l называется электрическим моментом диполя:

p = ql

Электрический момент рассматривают как векторную величину p, направленную от отрицательного заряда диполя к положительному.

Рисунок 1 — неполярная молекула а) при отсутствии внешнего поля; б) при наличии внешнего поля; в) ее эквивалентный диполь

Рисунок 2 — Поляризованный диэлектрик

Таким образом, неполярные молекулы во внешнем поле становятся диполями, электрические моменты p которых стремятся расположиться в направлении внешнего поля, и диэлектрик поляризуется (рис. 2). При исчезновении внешнего поля смещение исчезают и молекулы снова становятся электрически нейтральными. Рассмотренная поляризация называется деформационной.

У каждой группы диэлектриков, называемых полярными, молекулы всегда полярны (электрические центры электронов и молекулах расположены несимметрично относительно ядер). Полярную молекулу можно считать диполем с зарядами +q и -q и моментом p = ql. При отсутствии внешнего поля все диполи расположены хаотически (рис. 3, а) и суммарный электрический момент диэлектрика равен нулю. При появлении внешнего поля его силы стремятся ориентировать диполи в направлении поля. В результате диполи несколько повернутся в направлении поля и диэлектрик приобретает электрический момент (рис. 3,6). Такая поляризация называется ориентационной.

При той или другой поляризации диэлектрика поле его диполей, или поле поляризации E_п (рис. 4.12), направлено

Рисунок 3 — Полярные молекулы

от положительных зарядов к отрицательным, т. е. противоположно внешнему полю Е_вн. Напряжённости результирующего поля E, равная алгебраической сумме напряженностей внешнего поля и поля поляризации, меньше напряженности внешнего поля, т. е.

E = E_вн — E_п

Чем сильнее поляризуется диэлектрик, тем слабее результирующее поле, т. е. меньше его напряженность E при том же внешнем поле, а следовательно, тем больше его диэлектрическая проницаемость E_r.

У диэлектрика, находящегося в периодически изменяющемся внешнем электрическом поле, смещение зарядов также будет периодическим, что вызывает нагревание диэлектрика. Чем с большей частотой изменяется внешнее поле, тем сильнее нагрев диэлектрика. Это явление применяется для нагрева и сушки влажных материалов, для получения или ускорения химических реакций, требующих повышенной температуры.

Мощность, идущая на нагрев диэлектрика при периодическом смещении зарядов диэлектрика  (связанных зарядов) и отнесенная к единице объеме, называется удельными диэлектрическими потерями.