§ 81. Диэлектрики в электрическом поле. Поляризация диэлектриков

Опыт показывает, что помещенный в электрическое поле диэлектрик приобретает полярность: та часть его поверхности, в которую входят силовые линии, заряжается отрицательно, а противоположная часть — положительно. Это явление называется поляризацией диэлектрика. По внешнему проявлению процесс поляризации диэлектрика схож с рассмотренным ранее процессом электростатической индукции проводника. Однако по существу эти процессы различны. В диэлектрике нет свободных зарядов, которые могли бы перераспределяться под действием поля. Все разноименные заряды в диэлектрике попарно связаны (электронная оболочка атома связана с его ядром, отрицательные ионы кристалла связаны с его положительными ионами и т. п.). Поляризация кристаллических диэлектриков и диэлектриков, состоящих из неполярных молекул, обусловлена небольшими смещениями связанных зарядов друг относительно друга. Поляризация диэлектриков, состоящих из дипольных молекул, обусловлена поворотом связанных зарядов относительно центра связи. Рассмотрим перечисленные виды поляризации более подробно.

1. Поляризация диэлектриков, состоящих из неполярных молекул. Неполярная молекула (или атом) может быть схематически представлена в виде положительно заряженной центральной области (атомного ядра), симметрично окруженной отрицательно заряженной оболочкой (электронной). Относительно внешнего пространства такая молекула

Рис. 164

является нейтральной (рис. 164, а). Под влиянием электрического поля напряженностью положительный заряд сместится в направлении поля, а электронная оболочка вытянется в противоположную сторону (рис. 164, б). Молекула станет полярной (дипольной), подобной электрическому диполю (рис. 164, в). Такого рода поляризация молекул называется электронной. Очевидно, что при помещении диэлектрика в электрическое поле все неполярные молекулы превратятся в дипольные, расположенные цепочками вдоль силовых линий поля, как показано на рис. где черными кружками обозначены отрицательные заряды, а белыми — положительные.

Рис. 165

В результате торцы диэлектрика приобретут разноименные заряды — диэлектрик поляризуется. Степень электронной поляризации диэлектрика зависит от его свойств и от величины напряженности поля

2. Поляризация диэлектриков, состоящих из полярных молекул. У некоторых диэлектриков молекулы всегда (и в отсутствие внешнего поля) несимметричны в электрическом отношении, т. е. являются дипольными. К таким диэлектрикам относятся, например, вода, аммиак, эфир, ацетон. Благодаря тепловому движению дипольные молекулы расположены в диэлектрике беспорядочно, т. е. оси дипольных молекул имеют самые разнообразные направления (рис. 165, а). Поэтому диэлектрик в целом оказывается неполяризованным. Под влиянием электрического поля все дипольные молекулы диэлектрика повернутся так, что их оси расположатся приблизительно вдоль силовых линий поля. В результате диэлектрик поляризуется (рис. 165, б). Такого рода поляризация называется ориентационной, или дипольной, поляризацией. Полной ориентации молекул препятствует тепловое движение. Степень

ориентационной поляризации зависит от свойств диэлектрика, величины напряженности поля и температуры.

При исчезновении внешнего поля исчезает и поляризация диэлектрика, так как тепловое движение сразу же разрушает ориентацию молекул. Существуют, однако, и такие диэлектрики, называемые сегнетоэлектриками, у которых значительная поляризация сохраняется и после исчезновения поля. Это объясняется тем, что в сегнетоэлектриках имеются области самопроизвольной поляризации: микроскопические объемы, в каждом из которых все дипольные молекулы ориентированы одинаково. Внешнее поле поворачивает в сегнетоэлектрике не отдельные полярные молекулы, а целые полярные объемы. После исчезновения электрического поля тепловое движение сможет дезориентировать такие объемы только в случае достаточно высокой температуры. В противном случае сегнетоэлектрик остается поляризованным и после исчезнования поля. Типичными сегнетоэлектриками являются сегнетова соль и титанат бария

3. Поляризация диэлектриков, являющихся ионными кристаллами. У кристаллических диэлектриков с ионной решеткой каждая пара соседних разноименных ионов подобна диполю (рис. 165, в). В электрическом поле эти диполи деформируются: удлиняются, если их оси направлены по полю, и укорачиваются, если оси направлены против поля (рис. 165, г). В результате диэлектрик поляризуется. Такого рода поляризация называется ионной. Степень ионной поляризации зависит от свойств диэлектрика и от напряженности поля

Некоторые кристаллы (кварц, турмалин и др.) поляризуются при механической деформации. При сжатии пластинки такого кристалла, вырезанной в определенном направлении, ее плоскости оказываются разноименно заряженными и внутри пластинки возникает электрическое поле. При растяжении пластинки ее полярность и направление поля изменяются на противоположные. Это явление называется пьезоэлектрическим эффектом, а соответствующие вещества — пьезоэлектриками. Пьезоэлектрический эффект обусловлен деформацией структурных группировок молекул пьезоэлектрика, нарушающей симметричность каждой из этих группировок в электрическом отношении.

Существует и обратный пьезоэлектрический эффект (являющийся частным случаем электрострикции): во внешнем электрическом поле пластинка пьезоэлектрика деформируется вдоль поля (сжимается или растягивается в зависимости от направления поля).

Пьезоэлектрический эффект используется в технике для измерения быстро изменяющихся давлений и для исследования ультразвуковых колебаний. Обратный пьезоэлектрический эффект используется для возбуждения ультразвуковых колебаний. Пьезокварц применяется

для стабилизации высокочастотных электрических колебаний, поскольку частота собственных механических колебаний пьезокварца характеризуется очень устойчивым постоянством.