Лекция №13 поляризация диэлектриков

Молекула во внешнем электрическом поле
ЛЕКЦИЯ №13

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Чтобы понять причины поляризации диэлектриков, необходимо вспомнить о молекулярном строении вещества. В классической физике считается, что молекулы всех веществ построены из атомов, которые в свою очередь состоят из элементарных заряженных и не заряженных частиц. При воздействии на них внешнего электрического поля возникает их смещение друг относительно друга и, следовательно, дипольный момент. Однако эти смещения по-разному происходят у разных веществ, и даже в газах.

Молекулы некоторых газов (гелий, водород, кислород), состоящие из двух симметричных атомов, лишены собственного дипольного момента, так как у них центры положительных и отрицательных зарядов совпадают (рис.13.1). Такие молекулы называются неполярными.

Зато молекулы других газов (водяной пар, спирты, эфиры, HCl, углекислый газ) образуют несимметричную структуру и обладают постоянным электрическим дипольным моментом (рис.13.2), так как у них центры положительного и отрицательного зарядов не совпадают. Такие молекулы называются полярными.
2. Электронная(деформационная) поляризация.

Она характерна для неполярных молекул. Такую молекулу можно грубо, но удовлетворительно для наших целей, представить в виде двух равномерно заряженных шаров, центры которых совпадают в отсутствии поля и смещаются друг относительно друга во внешнем поле (рис.13.3).

Поэтому у молекулы образуется дипольный момент, который при не сильных полях можно считать пропорциональным полю, действующему на молекулу  (оно не равно среднему полю внутри диэлектрика).

     (13.1)

где b - постоянная величина, которая называется поляризуемостью молекулы.

3. Поляризуемость.

Несложно оценить поляризуемость атома и его индуцированный дипольный момент. Представим себе электронное облако с точечным положительным ядром с зарядом +q внутри. Под действием внешнего поля ядро сместится на некоторое расстояние b (рис.13.4). Внешнее поле должно быть уравновешено притяжением к центру точечного заряда. Вспомнив поле шара внутри шара, можно записать

отсюда смещение

а дипольный момент молекулы

Сравнивая с (13.1), получаем, что поляризуемость молекулы . Она имеет размерность объема и показывает насколько легко можно индуцировать дипольный момент у молекулы. Наш расчет достаточно грубый, так как у электронного облака нет резкой границы, да и плотность его вряд ли одинакова. Квантовый расчет для атома водорода дает формулу

, где     (13.5)

Вещество	b, ּ10^-30 м^3
H (водород)	0,66
Hе (гелий)	0,21
Na (натрий)	27
K (калий)	34