§ 15.10. Dielectric într-un câmp electric. Polarizarea unui dielectric.
Să vedem ce se întâmplă într-un dielectric când intră într-un câmp electric. După cum se știe, într-un dielectric nu există transportatori liberi, taxe. Toate încărcăturile electrice ale unui dielectric fac parte din moleculele sale și pot fi deplasate numai la distanțe foarte mici: într-o moleculă sau atom.
Deoarece dielectricul reduce forța de interacțiune a sarcinilor, adică slăbește câmpul electric (§14.7), se poate concluziona că deplasarea sarcinilor în interiorul moleculelor dielectrice are loc într-adevăr.
Vom afla mecanismul acestui fenomen.
Mai întâi ne imaginăm atom, al cărui diametru este aproximativ de mărimea nucleului Apoi norul său de electroni - (în primă aproximație, presupune că este sferic), va avea o rază de ordinul dintr-o comparație a mărimii nucleului și norul de electroni poate fi văzut că nucleul atomic poate fi ușor luat ca punct care este în centrul norului. Dacă acest atom cade
câmpul electric cu intensitatea E, atunci norul va deplasa în direcția E o anumită distanță față de nucleu (Figura 15.19).
Deoarece nucleul de câteva mii de ori mai mare decât masa electronului, iar acesta din urmă se deplasează în atomul la viteze foarte mari (în jurul nucleului răspunde numai la puterea medie de atracție a electronilor în atom. Prin urmare, putem presupune că toată sarcina negativă a norului este concentrată în centru, și întregul atom, situat într-un câmp electric, poate fi asemănat cu un sistem de două egale în mărime și în semn opus taxelor care sunt distanțate astfel de sistem este numit dipol. de aceea, atunci când un atom este semnalizat într-un câmp electric extern, se transformă într-un dipol electric, care creează propriul câmp electric, care slăbește câmpul extern în dielectric (Figura 15.20).
Produsul este numit momentul electric al unui dipol. Momentul electric este un vector direcționat de-a lungul lui I de la sarcina negativă la cel pozitiv (Figura 15.21), al cărui modul este determinat de relația
Se pare că momentul electric al moleculelor datorită deplasării noriilor electronilor față de nuclee este direct proporțional cu intensitatea câmpului E,
(a se numeste polarizabilitatea electronilor moleculei). Atunci cu cât intensitatea câmpului exterior este mai mare, cu atât devin momentele electrice ale dipolilor din dielectric.
În acest caz, toți vectorii momentelor electrice ale moleculelor dielectrice se dovedesc a fi direcționați paralel cu E. Un astfel de dielectric se numește polarizat, iar dipolii lui sunt numiți moi, deoarece lungimea lor depinde de E.
Polarizarea unui dielectric cauzată de deplasarea norilor de electroni în molecule relative la nuclee se numește polarizare electronică. Se observă în orice dielectric și este interesant în faptul că nu depinde de temperatură.
Dacă nu există nici un centru de simetrie în moleculă, atunci are propriul său moment electric și în absența unui câmp în dielectric (Figura 15.22). Deoarece atomii dintr-o astfel de moleculă sunt conectați rigid, putem presupune că momentul electric nu depinde de câmpul extern din dielectric. Astfel de dipoli sunt numite de obicei rigide. În Fig. 15.22 și tip două molecule de configurații posibile sunt reprezentate - o molecula moment de dipol rezultantă nepolar este zero - o molecula polară, momentul de dipol rezultat este determinată de suma vectorială a momentelor dipol ale patinelor individuale. Diodele naturale sunt, de exemplu, moleculele de apă în care atomii sunt aranjați, ca în Fig. 15,22, b (legăturile OH formează un unghi de 105 °).
În absența unui câmp extern, dipolele naturale sunt repartizate aleatoriu, astfel încât câmpurile lor sunt compensate reciproc. Cu toate acestea, dacă un astfel de dielectric este introdus într-un câmp extern, atunci o pereche de forțe va acționa pe fiecare dipol (Figura 15.23, a).
Prin urmare, dipolii rigizi sunt rotiți și, într-un câmp puternic, chiar se aliniază de-a lungul liniilor de intensitate a câmpului (Figura 15.23, b). Dipolii își creează propriul câmp (Fig.15.23, c), care slăbește câmpul extern în dielectric. Acest fenomen se numește polarizarea orientativă sau dipol a unui dielectric. Este ușor de observat că polarizarea orientării ar trebui să scadă odată cu creșterea temperaturii dielectrice, deoarece mișcarea haotică a dipolei perturbă aranjamentul ordonat într-un dielectric polarizat.
În dielectricii cristalini având o structură ionică, se observă și un al treilea tip de polarizare. Sub influența câmpului extern, ionii pozitivi ai deplasării dielectrice de-a lungul direcției vectorului de tensiune și ionii negativi în direcția opusă. Acest fenomen se numește polarizarea ionică a unui dielectric.
În Fig. 15.23, b, se poate observa că capetele opuse încărcate ale dipolurilor învecinate ar trebui să-și neutralizeze reciproc efectele asupra altor încărcări. Doar încărcăturile de la capetele dipolelor care ies la suprafața dielectrică rămân necompensate. În același timp, din partea unde liniile câmpului extern intră în dielectric, există încărcături negative de dipoli, iar la capătul opus - încărcări pozitive. Toate încărcările de pe suprafața unui dielectric polarizat sunt legate, adică ele fac parte din molecule. Se numesc taxe de polarizare. Toată influența
polarizată la un câmp electric este redusă la acțiunea numai a încărcărilor de polarizare. Acest lucru este valabil pentru toate tipurile de polarizare.
Câmp în dielectric, tarifele sale de polarizare generată, îndreptată către câmpul magnetic extern (Fig. 15,23, b), t. E. Slabeste câmpul magnetic extern, dar nu distruge complet (a se compara cu conductorul). Diferența față de dirijor aici se manifestă și prin faptul că, împărțind dielectricul polarizat în părți, este imposibil să se separe încărcăturile pozitive de cele negative. Pe laturile opuse ale fiecărei părți a dielectricului polarizat, există întotdeauna încărcături de semne diferite. Aceasta dovedește că încărcăturile de polarizare ale dielectricului sunt într-adevăr legate, adică fac parte din dipoli.
Slăbirea câmpului în dielectric, datorită polarizării sale, explică influența dielectricului asupra forței de interacțiune dintre corpurile electrificate. Într-adevăr, în cazul în care cele două sarcini plasate în izolator, este polarizată și apar taxe în jurul taxele de polarizare, care este echivalentă cu o reducere a taxelor (Fig. 15.24) și, prin urmare, puterea interacțiunii lor.
Acum devine clar de ce forța de interacțiune dintre sarcini are cea mai mare valoare în vid și de ce formula legii lui Coulomb include permitivitatea dielectrică a mediului.
Observăm că la o valoare suficient de mare a intensității câmpului electric într-un dielectric, dipolii săi pot fi distruși. În același timp, încărcările libere apar în interiorul dielectricului, care în timpul mișcării lor provoacă distrugerea mecanică a dielectricului. Acest fenomen se numește defalcare dielectrică. Un exemplu de defecțiune poate servi drept descărcare electrică sub formă de fulgere în timpul unei furtuni.