Диэлектрики

Тема 6. ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ

66.1. Поляризация диэлектриков
66.2. Различные виды диэлектриков
66.3.

6.1. Поляризация диэлектриков

Все известные в природе вещества, в соответствии с их

В идеальном диэлектрике свободных зарядов, то есть способных перемещаться на значительные

Смещение электрических зарядов вещества под действием электрического поля называется поляризацией.
Способность

Поляризуемость диэлектрика включает составляющие – электронную, ионную и ориентационную (дипольную).

Главное в поляризации – смещение зарядов в электростатическом поле. В результате,

Внутри диэлектрика электрические заряды диполей компенсируют друг друга. Но на внешних

Обозначим – электростатическое поле связанных (поляризационных) зарядов. Оно направлено всегда против

Связь между вектором поляризации и поверхностной плотностью поляризационных (связанных) зарядов

Рассмотрим бесконечную

Объем цилиндра
Электрический (дипольный) момент цилиндра, можно найти по формуле:
– поверхностная плотность

Введем новое понятие – вектор поляризации – электрический или дипольный момент

С учетом этого обстоятельства,
Поляризованность
Следовательно (5)
Левые и правые части уравнений (3) и

Поверхностная плотность поляризационных (связанных) зарядов равна нормальной составляющей вектора поляризации в

Для изотропного диэлектрика с неполярными молекулами вектор поляризации можно представить так:
(7)
где

Следовательно, и у результирующего поля изменяется, по сравнению с ,только нормальная

Величина характеризует электрические свойства диэлектрика.
Физический смысл диэлектрической проницаемости среды ε

График зависимости напряженности электростатического поля шара от радиуса, с учетом диэлектрической

6.2.Различные виды диэлектриков

Механизмы поляризации:
а) полярные диэлектрики – поляризованность возникает в результате

6.2.1. Сегнетоэлектрики

В 1920 г. была открыта спонтанная (самопроизвольная) поляризация.
Всю группу веществ,

Основные свойства сегнетоэлектриков:
1. Диэлектрическая проницаемость ε в некотором температурном интервале велика(

Это свойство называется диэлектрическим гистерезисом
Здесь точка а – состояние насыщения.

4. Наличие точки Кюри – температуры, при которой (и выше) сегнетоэлектрические

Стремление к минимальной потенциальной энергии и наличие дефектов структуры приводит к

Среди диэлектриков есть вещества, называемые электреты – диэлектрики, длительно сохраняющие поляризованное

6.2.2. Пьезоэлектрики

Некоторые диэлектрики поляризуются не только под действием электрического поля,

Сейчас известно более 1800 пьезокристаллов.
Все сегнетоэлектрики обладают пьезоэлектрическими свойствами
Используются

6.2.3. Пироэлектрики

Пироэлектричество – появление электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов при

Все пироэлектрики являются пьезоэлектриками, но не наоборот. Некоторые пироэлектрики обладают сегнетоэлектрическими

В качестве примеров использования различных диэлектриков можно привести:
сегнетоэлектрики – электрические конденсаторы,

Задание (Тестирование при аккредитации МИЭТ)

На рисунке представлены графики, отражающие характер зависимости

6.3. Вектор электрического смещения

Имеем границу раздела двух сред с ε1 и

Главная задача электростатики – расчет электрических полей, то есть в различных

Введём новую векторную величину – вектор электрического смещения (электрическая индукция).
Из предыдущих

Dn1 = Dn2.

Таким образом, вектор остается неизменным при переходе из

Зная и ε, легко рассчитывать

отсюда можно записать:

– вектор поляризации, (см. формулу (7))
–диэлектрическая восприимчивость

Для точечного заряда в вакууме
Для имеет место принцип суперпозиции, как

6.4. Теорема Гаусса для вектора Р При неоднородной поляризации (например, для однородного

Теорема Гаусса для вектора Р

Поток вектора через произвольную замкнутую поверхность равен

Замечание о поле вектора .

Соотношение (4) нередко дает основание думать, что

6.5. Поток вектора электрического смещения.

Пусть произвольную площадку S пересекают линии вектора

В однородном электростатическом поле
поток вектора равен:

Теорему Остроградского-Гаусса для вектора D получим из теоремы Остроградского-Гаусса для вектора

Теорема Остроградского-Гаусса для
Поток вектора через любую замкнутую поверхность определяется только

6.6. Изменение и на границе раздела двух диэлектриков

Рассмотрим простой случай: два

Пусть
Из п. 4.3 мы знаем, что и

Образовавшиеся поверхностные заряды изменяют только нормальную составляющую а тангенциальная составляющая остается

То есть, направление вектора E изменяется:
Это закон преломления вектора напряженности

Рассмотрим изменение вектора D и его проекций и

Т.к. , то имеем:
т.е. – нормальная составляющая вектора не изменяется.
т.е. тангенциальная

Проиллюстрируем закон преломления для векторов E и D :

Пусть

Если среда изотропная, то, как видно из рисунка, при переходе

Граничные условия для вектора .

Граничные условия для вектора Р

Рассмотрим границу двух диэлектриков (см. рис.)
Рассмотрим верхний

Примечание 1

Демонстрация опыта

  Поляризация диэлектрика (разборная лейденская банка)