Дипольна модель діелектрика
Процеси, що відбуваються в діелектриках у зовнішньому полі, легко розглянути, якщо уявити діелектрик як середовище, що складається зелектричних диполів. Електричний диполь – система двох різноіменних зарядів, що характеризується дипольним моментом (Рис.15.1). Цю величину можна визначити й так: (15.1)
де – радіус-вектори зарядів.
Таке визначення можна поширити на систему зарядів, на яку можна поставити еквівалентний диполь з моментом
(15.8)
Тобто будь-яку молекулу можна систематично розглядати як електричний диполь з дипольним моментом.
Типи діелектриків
Діелектрики, молекули яких мають відмінний від нуля дипольний момент, називаються полярними. До них відносяться молекули, що мають несиметричну будову, наприклад, дипольний момент молекули СО дорівнює 0,1 D, для водної пари 1,87 D (1 D – (Дебай) = 10 -18 СГС – одиниця дипольного моменту).
Діелектрики, молекули яких без зовнішнього поля немає дипольного моменту, називають неполярним. До них відносяться молекули, що мають симетричну будову, наприклад метан СН4.
Вектор поляризації
Для кількісного опису властивостей діелектрика використовується фізична величина – вектор поляризації r, що є кількісним заходом процесу поляризації діелектрика. Він дорівнює дипольному моменту в одиниці обсягу
(15.3)
Для однорідного та ізотропного діелектрика
(15.4)
де - Дипольний момент однієї частинки,
Поляризація діелектриків
За відсутності зовнішнього поля вектор поляризації неполярного діелектрика дорівнює нулю. У зовнішньому полі рівномірні заряди молекул зміщуються в різні боки і молекула набуває деякого дипольного моменту, спрямованого вздовж поля.(рис.15.2)
Т.к. зовнішні поля набагато менше електричного поля всередині молекули, то така поляризація має пружний характер. Вектор поляризації при цьому є пропорційним електричному полю. У СІ ця залежність така:
(15.5)
Безрозмірний коефіцієнт пропорційності називають діелектричною сприйнятливістю.
Без зовнішнього поля молекули полярного діелектрика орієнтовані хаотично, і вектор поляризації дорівнює нулю. Дія зовнішнього поля призводить до часткової орієнтації молекули, на яку діє момент, що обертає (Рис.15.3)
Ці сили утворюють пару, механічний момент якої дорівнює
(15.6)
В результаті молекули набувають часткової орієнтації (орієнтації перешкоджає тепловий рух), і вектор поляризації стає відмінним від нуля. І в цьому випадку при не надто великих полях. Розглянуту групу явищ, що веде до появи обсягом діелектрика відмінного від нуля дипольного моменту, називають діелектричною поляризацією.