Электрическое поле в веществе. Поляризационные заряды. Типы диэлектриков. Электронная, ориентационная, ионная поляризация

В зависимости от концентрации свободных зарядов вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Проводники -вещества, в которых электрические заряды могут перемещаться по всему объему.

Проводники делятся на две группы:

проводники первого рода(металлы) -перенос в них зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями;

проводники второго рода (например, расплавленные соли, растворы кислот) - перенос в них зарядов (положительных и отрицательных ионов) ведет к химическим изменениям.

Диэлектрики(например, стекло, пластмассы) -вещества, в которых практически отсутствуют свободные заряды.

Полупроводники(например, германий, кремний) -занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Диэлектрик (как и всякое вещество) состоит из атомов и молекул. Так как положительный заряд всех ядер молекулы (атома) равен суммарному заряду электронов, то молекула (атом) в целом электрически нейтральна. Если заменить положительные заряды ядер молекул суммарным зарядом +q, находящимся в центре “тяжести” положительных зарядов, а заряд всех электронов - суммарным отрицательным зарядом -q, находящимся в центре “тяжести” отрицательных зарядов, то молекулу можно рассматривать как электрический диполь с электрическим моментом, определяемым формулой

Первую группу диэлектриков (N₂, H₂, O₂, CO₂, CH₄, ... ) составляют вещества, молекулы которых имеют симметричное строение, т.е. центры “тяжести” положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают и, следовательно, дипольный момент молекулы равен нулю. Молекулы таких диэлектриков называются неполярными. Под действием внешнего электрического поля заряды неполярных молекул смещаются в противоположные стороны (положительные по полю, отрицательные против поля) и молекула приобретает дипольный момент.

Вторую группу диэлектриков (Н₂О, NH₃, SO₂, CO, ... ) составляют вещества, молекулы которых имеют асимметричное строение, т.е. центры “тяжести” положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Таким образом, эти молекулы в отсутствие внешнего электрического поля обладают дипольным моментом. Молекулы таких диэлектриков называются полярными. При отсутствии внешнего поля, однако, дипольные моменты полярных молекул вследствие теплового движения ориентированы в пространстве хаотично и их результирующий момент равен нулю. Если такой диэлектрик поместить во внешнее поле, то силы этого поля будут стремиться повернуть диполи вдоль поля и возникает отличный от нуля результирующий момент.

Третью группу диэлектриков (NaCl, KCl, KBr, ... ) составляют вещества, молекулы которых имеют ионное строение. Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков. В этих кристаллах нельзя выделить отдельные молекулы, а рассматривать их можно как систему двух вдвинутых одна в другую ионных подрешеток. При наложении на ионный кристалл электрического поля происходит некоторая деформация кристаллической решетки или относительное смещение подрешеток, приводящее к возникновению дипольных моментов.

Таким образом, внесение всех трех групп диэлектриков во внешнее электрическое поле приводит к возникновению отличного от нуля результирующего электрического момента диэлектрика, или, иными словами, к поляризации диэлектрика.

Поляризация диэлектрика - процесс ориентации диполей или появления под воздействием внешнего электрического поля ориентированных по полю диполей.

Соответственно трем группам диэлектриков различают три вида поляризации:

Электронная, илидеформационная поляризация диэлектрика с неполярными молекулами, заключающаяся в возникновении у атомов индуцированного дипольного момента за счет деформации электронных орбит;

Ориентационная,или дипольная поляризациядиэлектрика с полярными молекулами, заключающаяся в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул по полю.

Естественно, что тепловое движение препятствует полной ориентации молекул, но в результате совместного действия обоих факторов (электрическое поле и тепловое движение) возникает преимущественная ориентация дипольных моментов молекул по полю. Эта ориентация тем сильнее, чем больше напряженность электрического поля и ниже температура;

Ионная поляризация диэлектриков с ионными кристаллическими решетками, заключающаяся в смещении подрешетки положительных ионов вдоль поля, а отрицательных - против поля, приводящем к возникновению дипольных моментов.