Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектриками называют тела, не проводящие электри­ческого тока.

Термин «диэлектрик» введен М. Фарадеем для обозначения ве­ществ, через которые проникают электрические поля, в отличие от металлов, внутри которых электростатического поля нет. К ди­электрикам относят твердые тела, такие, как эбонит, фарфор, а также жидкости (например, чистая вода) и газы.

При изменении внешних условий (нагревание, воздействие ионизирующих излучений и т. п.) диэлектрик может проводить электрический ток. Изменение состояния диэлектрика при поме­щении в электрическое поле можно объяснить его молекулярным строением. Условно выделим три класса диэлектриков: 1) поляр­ные; 2) неполярные; 3) кристаллические.

К первому классу принадлежат такие вещества, как вода, нитро­бензол и др. Молекулы этих диэлектриков не симметричны, «цент­ры масс» их положительных и отрицательных зарядов не совпада­ют, поэтому такие молекулы обладают электрическим дипольным моментом даже в случае, когда электрического поля нет.

На рис. 12.19 схематически показаны молекулы соляной кис­лоты (а) и воды (б) и соответствующие им дипольные моменты в дебаях.

В отсутствие электрического поля дипольные моменты моле­кул ориентированы хаотически (рис. 12.20, а) и векторная сумма моментов всех N молекул равна нулю: pi = 0.

 
 

Если диэлектрик поместить в электрическое поле, то диполь­ные моменты молекул стремятся ориентироваться вдоль поля (рис. 12.20, б), однако полной ориентации не будет вследствие молекулярно-теплового хаотического движения.

 

 

Ко второму классу диэлектриков относят такие вещества (на­пример, водород, кислород и др.), молекулы которых в отсутствие электрического поля не имеют дипольных моментов. В таких мо­лекулах заряды электронов и ядер расположены так, что «центры масс» положительных и отрицательных зарядов совпадают. Если неполярную молекулу поместить в электрическое поле, то разно­именные заряды несколько сместятся в противоположные сторо­ны и молекула будет иметь дипольный момент. На рис. 12.21 схе­матически в виде кружков показаны молекулы такого диэлектри­ка в отсутствие поля и при наложении поля (стрелки у кружков означают дипольные моменты молекул).

Третий класс — кристаллические диэлектрики (например, NaGl), решетка которых состоит из положительных и отрицатель­ных ионов. Такой диэлектрик можно схематически рассматри­вать как совокупность двух «подрешеток», одна из которых заря­жена положительно, другая — отрицательно. При отсутствии по­ля подрешетки расположены симметрично и суммарный электрический момент такого диэлектрика равен нулю. Если ди­электрик поместить в электрическое поле, то подрешетки немно­го сместятся в противоположные стороны и диэлектрик приобре­тет электрический момент.

Все эти процессы, происходящие в разных диэлектриках при наложении электрического поля, объединяют общим термином поляризация, т. е. приобретение диэлектриком дипольного мо­мента.

Для первого класса диэлектриков характерна ориентационная поляризация, для второго — электронная, т. е. смещение глав­ным образом электронных оболочек, для третьего — ионная. Та­кая классификация условна, так как в реальном диэлектрике мо­гут одновременно существовать все виды поляризации.

 
 

Изменение напряженности электрического поля, в котором на­ходится диэлектрик, будет влиять на состояние его поляризации. Охарактеризовать степень поляризации диэлектрика суммарным электрическим моментом все его N молекул нельзя, как эта величина зависит, в частности, от объема диэлектрика.

Для оценки состояния поляризации диэлектрика вводят величи­ну, называемую поляризованностью, среднее значение которой равно отношению суммарного электрического момента элемента объема V диэлектрика к этому объему:

 
 

Единицей поляризованности является кулон на квадратный метр (Кл/м2).

При поляризации диэлектрика на одной его поверхности (гра­ни) создаются положительные заряды, а на другой — отрицатель­ные (см. рис. 12.20, б и 12.21, б). Эти электрические заряды назы­вают связанными, так как они принадлежат молекулам диэлект­рика (или кристаллической решетке при ионной поляризации) и не могут перемещаться в отрыве от молекул или быть удалены с поверхности диэлектрика в отличие от свободных зарядов, кото­рых в идеальном диэлектрике нет.

При возрастании напряженности электрического поля растет степень упорядоченности ориентации молекул (ориентационная поляризация), увеличиваются дипольные моменты молекул (электронная поляризация), а также происходит большее смеще­ние «подрешеток» (ионная поляризация) — все это приводит к увеличению поверхностной плотности δсв связанных электриче­ских зарядов.

Таким образом, δсв также характеризует степень поляризации диэлектрика.

 
 

Установим связь между Рв и δсв на примере поляризованного диэлект­рика, имеющего форму параллелепипеда (рис. 12.22, а). Такой параллелепипед представим как совокупность диполей, которые, простоты ради, можно рассматривать как «цепочки»; одна из них показана на рис. 12.22, б. Так как внутренние части «цепочки» диполей электрически компенсируются, то такая «цепочка» подобна длинному диполю с рас­стоянием между зарядами, равным ребру параллелепипеда.

Если на грани параллелепипеда с площадью S возник связанный за ряд qсв, то суммарный электрический момент всего параллелепипеда численно равен qсв l. Объем параллелепипеда V = Sl cos α. На основании двух последних равенств имеем

 
 

Учитывая (12.36) и (12.37),получаем

 
 

 

Итак, поверхностная плотность связанных зарядов осв равна нор­мальной к грани составляющей вектора Ре.

 
 

Рассмотрим, например, плоский диэлектрик, расположенный в однородном электрическом поле (рис. 12.23); E0 — напряжен­ность поля в отсутствие диэлектрика (поле в вакууме). Связанные заряды создают однородное поле напряженностью Есв, в результате в диэлектрике будет электрическое поле напряженностью

 
 

Известно, что диэлектрическая проницаемость среды ε равна отношению силы взаимодействия зарядов в вакууме к силе расстояния к среде:

Так как напряженность электрического поля пропорциональна силе, дейтвующей на заряд

 
 

[см. (12.1)], то аналогичное соотноше­ние можно записать для Ео и Е:

 
 

Напряженность электрического поля, об­разованного связанными электрическими за­рядами. Подставляя эту форму­лой (12.40) в (12.39), получаем

Как и можно было ожидать, поляризованность пропорци­ональна напряженности электрического поля в диэлектрике. На основании (12.41) вводят понятие диэлектрической восприим­чивости среды

которая вместе с диэлектрической проницаемостью е характери­зует способность диэлектрика к поляризации и зависит от его мо­лекулярного строения, а возможно и от температуры. В перемен­ных электрических полях г и % изменяются также в зависимости от частоты.

В табл. 21 приведены значения диэлектрической проницаемос­ти для различных биологических сред и некоторых веществ в постоянном электрическом поле при комнатной температуре.

Таблица 21

  ε   ε
Керосин Белок яичный
Масло растительное 2-4 Вода
Стекло 6-10 Кровь цельная
крахмал Серое вещество мозга
молоко коровье Нерв зрительный Белое вещество мозга

 

Различие диэлектрической проницаемости нормальных и па­тологических тканей и сред как в постоянных, так и в перемен­ных, электрических полях можно использовать для диагностиче­ских целей.

Пьезоэлектрический эффект

В кристаллических диэлектриках поляризация может возник­нуть и при отсутствии электрического поля из-за деформации. Это явление получило название пьезоэлектрического эффекта (пьезоэффекта).

Различают поперечный (рис. 12.24) и продольный (рис. 12.25) пьезоэффекты. Стрелки показывают силы, действующие на крис­талл. При изменении характера деформации, например, при пе­реходе от сжатия к растяжению, изменится и знак возникающих поляризационных зарядов.

Пьезоэлектрический эффект обусловлен деформацией элемен­тарных кристаллических ячеек и сдвигом подрешеток относи­тельно друг друга при механических деформациях. Поляризован­ность при небольших механических деформациях пропорци­ональна их величине. Пьезоэффект возникает в кварце, сегнетовой соли и некоторых других кристаллах.

Для демонстрации пьезоэффекта можно использовать установ­ку, схема которой изображена на рис. 12.26. К кристаллу К, обла­дающему пьезоэлектрическими свойствами, приложены металли­ческие пластины М, которые замкнуты через неоновую лампу Н. Эта лампа потребляет небольшой силы ток и загорается при опре­деленном напряжении, т. е. является своеобразным индикатором напряжения.

При ударе по кристаллу (деформации) появляется напряжение на его гранях, а значит, и на металлических пластинах, и неоно­вая лампа вспыхивает.

 
 

Наряду с рассмотренным прямым пьезоэлектрическим эффектом наблюдается и обратный пьезоэффект: при наложении электрического поля на кристаллы последние деформируются. Оба пьезоэффекта — прямой и обратный — применяют в тех случаях, когда необходимо преобразовать механическую величину в электрическую или наоборот.

Так, прямой пьезоэффект используют в медицине — в датчиках для регистрации пульса, в технике — в адаптерах, микрофонах и для измерения вибраций, а обратный пьезоэффект

— для создания механических колебаний и волн ультразвуковой частоты.

Существенный пьезоэффект возникает в костной ткани при наличии сдвиговых деформаций.

Причина эффекта — деформация коллагена — основного белка соединительной ткани. Поэтому пьезоэлектрическими свойства­ми обладают также сухожилия и кожа. При нормальной функци­ональной нагрузке, а также при отсутствии дефектов в строении кости в ней существуют только деформации сжатия—растяжения и пьезоэффект отсутствует. Когда что-то ненормально и возникает сдвиговая деформация, то возникает пьезоэффект. Он оказывает влияние на постоянно идущие в кости процессы разрушения и со­зидания и содействует тому, чтобы исчез сдвиг (меняется архи­тектура и даже форма кости). Указывают два возможных меха­низма воздействия пьезоэффекта: а) электрическое поле изменяет активность клеток, продуцирующих коллаген, и б) электрическое поле участвует в укладке макромолекул. Исследованием этого вопроса занимался В. Ф. Чепель.