Диэлектрики в электрическом поле - формулы и определение с примерами

Диэлектрики в электрическом поле:

Укрепим на стержне электрометра металлическую пластину и сообщим ей некоторый заряд. При этом стрелка отклонится от положения равновесия (рис. 1.14).

Поднесем к диску пластину из плексигласа или другого диэлектрика. Показания стрелки электрометра заметно уменьшатся (рис. 1.15).

Похожее явление будем наблюдать в случае приближения к пластине палочки, заряженной зарядом противоположного знака.

Как же объяснить это явление?

В диэлектриках, в отличие от проводников, отсутствуют свободные носители электрического заряда. Образуя молекулы, атомы диэлектрика обмениваются электронами, но не теряют связи с ними. Если такой диэлектрик поместить в электрическом поле, то изменения происходят в самих молекулах. Эти изменения имеют электрическую природу, но для разных диэлектриков они проявляются по-разному. Это зависит от строения молекул.

У многих диэлектриков молекулы представляют собой диполи, в которых разноименно заряженные частицы, входящие в состав молекулы, смещены от центра в противоположные стороны (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Полярные молекулы - диполи

При отсутствии электрического ноля молекулы расположены неупорядоченно и совершают только колебательные тепловые движения (рис. 1.17). При внесении диэлектрика в электрическое поле происходит ориентация молекул вдоль линий напряженности внешнего электрического поля (рис. 1.18).

Таким образом в диэлектрике появляется некоторая упорядоченность в расположении молекул так, что в одном направлении преобладают отрицательно заряженные частицы, а в другом - положительно. Такое состояние диэлектрика называют поляризацией.

Pиc. 1.17. Ориентация полярных молекул в диэлектрике при отсутствии электрического поля

Рис. 1.18. Ориентация полярных молекул диэлектрика в электрическом ноле

Если молекулы диэлектрика неполярны, то под действием электрического поля электроны смещаются и их орбиты изменяются так, что образуют диполи, изначально ориентированные вдоль электрического поля. Естественно, что вследствие этого диэлектрик поляризуется.

Поляризация диэлектриков приводит к тому, что в них появляется дополнительное электрическое поле, направление линий напряженности которого будет противоположным к направлению линий напряженности внешнего поля (рис. 1.19).

Puc. 1.19. Напряженность электрического поля внутри диэлектрика меньше напряженности внешнего электрического поля

Соответственно напряженность электрического поля в диэлектрике будет меньше, чем вне его.

Таким образом диэлектрик ослабляет электрическое поле. Поскольку в различных диэлектриках ото ослабление различно, то для характеристики их электрических свойств вводят физическую величину, которую называют относительной диэлектрической проницаемостью или просто диэлектрической проницаемостью ε. Она показывает, во сколько раз напряженность электрического поля в диэлектрике меньше, чем вне его.

где ε - диэлектрическая проницаемость; E₀ - модуль вектора напряженности электрического поля вне диэлектрика; E модуль вектора напряженности электрического поля в диэлектрике.

Влияние вещества на электрическое поле приводит к изменению силы, действующей на заряженное тело, находящееся в этом веществе. Пo определению

Из последнего следует, что сила, действующая на заряженное тело в веществе, меньше, чем в вакууме:

Значения диэлектрической проницаемости для различных веществ различны. Ее значения для некоторых веществ приведены в таблице.

Таблица:
Диэлектрическая проницаемость для различных веществ (при нормальных условиях)

Значения диэлектрической проницаемости существенно зависят от химического состава диэлектрика.

Даже незначительные изменения химического состава приводят к существенным изменениям диэлектрической проницаемости. Благодаря этому созданы многочисленные диэлектрики с уникальными электрическими свойствами, при меняемые в современной электронной и электротехнической промышленности.

Среди них особое место занимают электреты - электрические аналоги магнитов.

Диэлектрики, сохраняющие состояние поляризации при отсутствии постороннего поля, называют электретами.

Электреты - электрические аналоги магнитов.

Если большинство диэлектриков теряют поляризацию при отсутствии внешнего электрического поля, то электреты могут длительное время сохранять это состояние. Они стали базой для создания высокоэффективных электретных микрофонов, имеющих большую чувствительность, небольшие габариты и массу. К их преимуществам необходимо отнести и то, что они не создают магнитного поля, что важно при плотной упаковке элементов современной электронной аппаратуры. 

В современной технике широко используются жидкие кристаллы.

Имея полярную структуру молекул, они существенно изменяют свои физические свойства под действием электрического поля.

Жидкие кристаллы изменяют свои свойства под действием электрического поля.

Так, если жидкость относится к категории жидких кристаллов и имеет полярные молекулы, в обычном состоянии совершенно прозрачна, то в электрическом поле ее прозрачность существенно уменьшается. C этим явлением мы встречаемся всегда, когда наблюдаем за дисплеем микрокалькулятора, мобильного телефона или ноутбука, панель которого состоит из отдельных ячеек, наполненных жидкокристаллическим веществом. Устройство такой ячейки показано на рисунке 1.20.

Жидкий кристалл 5 в ячейке расположен между двумя плоскопараллельными прозрачными пластинами 2, на внутренних поверхностях которых нанесены прозрачные электроды 3.

Puc. 120. Устройство жидкокристаллической  электрооптической ячейки

Расстояние между электродами составляет несколько десяткой микрометров и устанавливается диэлектрическими прокладками между пластинами 4. На внешние поверхности пластин наносятся поляроидные пленки 1 (о них ты подробнее узнаешь позже, при изучении оптики). Если ячейка должна работать в отраженном свете (как в микрокалькуляторе), то на нижнюю поверхность пластин наносят зеркальное покрытие с хорошими отражательными свойствами. При отсутствии электрического поля молекулы расположены параллельно пластинам и жидкость непрозрачна для света. Вся ячейка будет темной. Приложение напряжения к пластинам создаст электрическое поле, под действием которого ориентация молекул изменится. Ячейка станет прозрачной. Управляя системой таких электрооптических жидкокристаллических ячеек, можно создавать изображение цифр, геометрических фигур или более сложных объектов.