Глава II. ДИЭЛЕКТРИКИ

§ 14. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКА

Если проводимость вещества равна нулю (отсутствуют свободные заряды), то электрическое поле внутри такого вещества не компенсируется, как в проводнике, но, тем не менее, при воздействии внешнего поля как-то изменяется. Это изменение по-прежнему связано со смещением зарядов среды, но теперь оно очень мало и определяется деформацией атомов (электронных орбит) под действием электрического поля. В результате такой деформации у атома появляется дипольный момент, который грубо можно

Таблица 1. Диполъные моменты некоторых молекул

оценить как

где а см — размер атома или молекулы,

В/см — атомное поле.

Эти наведенные моменты создают дополнительное поле, ослабляющее (но не компенсирующее) внешнее поле. Появление дипольных моментов называется поляризацией среды. Отсюда и название такой среды — диэлектрик.

Возможен и другой механизм поляризации диэлектрика, молекулы которого обладают собственным дипольным моментом (в отсутствие поля). Это имеет место для несимметричных молекул, например молекул воды, которые имеют вид «уголков» (рис. II.1): (см. табл. 1). В отсутствие внешнего поля собственные моменты ориентированы случайно, так что средний (макроскопический) дипольный момент единицы объема

равен нулю. Здесь — плотность молекул. Величину Р называют также вектором поляризации. Если мы интересуемся макроскопическими процессами, то нам нужно знать только среднее макроскопическое поле в среде, которое зависит от Р. В частности, в отсутствие внешнего поля и дополнительное поле молекулярных зарядов также равно нулю.

Внешнее поле ориентирует моменты тепловое движение дезориентирует их. Средний момент направлен по вектору Е, и его значение получается усреднением по распределению Больцмана где — энергия диполя во внешнем поле (см. § 5), Т — температура среды в энергетических единицах. Разлагая экспоненту и усредняя по телесному углу, получим

Отсюда вектор поляризации

Если где эВ — энергия валентного электрона в атоме, соответствует нормальной температуре, то в сумме (14.3) можно пренебречь всеми

Рис. II.1. Структура молекулы воды.

Рис. II.2. (см. скан) Поляризация диэлектрической пластины.

слагаемыми, кроме первого, так что поляризация линейно зависит от поля.

Поляризация диэлектрика с собственными моментами молекул называется ориентационной, в случае же говорят об упругой поляризации.