Сделай Сам Свою Работу на 5

Диэлектрики в электрическом поле





Лекция 2

 

 

Все вещества состоят из атомов и молекул, имеющих положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны. Атомы и молекулы электрически нейтральны, так как заряд ядра равен суммарному заряду электронов, окружающих ядро. При наличии внешних факторов (повышение температуры, электрическое поле и т.д.) атом или молекула теряет электрон. Этот атом превращается в положительный ион, а электрон, оторвавшийся от атома, может присоединиться к другому атому, превратив его в отрицательный ион, или остаться свободным. Процесс образования ионов называют ионизацией. Количество свободных электронов или ионов в единице объема вещества называется концентрацией заряженных частиц. Таким образом, в веществе, которое поместили в электрическое поле, под действием сил поля возникает процесс движения свободных электронов или ионов в направлении сил поля, которое называют электрическим током.

Свойство вещества проводить ток под действием электрического поля называется электропроводностью вещества, которая зависит от концентрации свободных электрически заряженных частиц. Чем больше концентрация заряженных частиц, тем больше электропроводность вещества. Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на:



1. проводники;

2. диэлектрики (или изоляторы);

3. полупроводники.

Проводники. Обладают очень большой электропроводностью. Проводники делятся на две группы. К проводникам первой группе относятся металлы (медь, алюминий, серебро и т.д.) и их сплавы, в которых возможно перемещение только электронов. То есть в металлах электроны очень слабо связаны с ядрами атомов и легко от них отделяются. В металлах явление электрического тока связано с движением свободных электронов, которые обладают очень большой подвижностью и находятся в состоянии теплового движения. Эту электропроводность называют электронной. Проводники используются для изготовления проводов, ЛЭП, обмоток электрических машин и т.п. К проводникам второй группы относятся водные растворы солей, кислот и т.д., которые называют электролитами. В растворе молекулы вещества распадаются (диссоциируют) на положительные и отрицательные ионы, которые под действием электрического поля могут перемещаться. Ионы электролита при прохождении тока осаждаются на электродах, опущенных в электролит. Процесс выделения вещества из электролитов электрическим током называется электролизом. Его используют для добычи цветных металлов из растворов их соединений (медь, алюминий), а также для покрытия металлов защитным слоем другого металла (например, хромирование).



Диэлектрики (или изоляторы). Вещества с очень малой электропроводностью (газы, резиновые вещества, минеральные масла и т.п.). В этих веществах электроны очень сильно связаны с ядрами атомов и под действием электрического поля редко отделяются от ядер. Т.е. диэлектрики в нормальных условиях не проводят электрический ток. Это их свойство используют при производстве электрозащитных средств: диэлектрические перчатки, обувь, коврики, изолирующие подставки, накладки, колпаки, изоляторы на электрооборудовании и т.п. Диэлектрики могут быть: твердые, газообразные, жидкости.

Полупроводники (германий, селен, кремний). Полупроводники при низкой температуре не проводят электрический ток и являются диэлектриками. Однако при повышении температуры в полупроводнике начинает резко увеличиваться число носителей электрического заряда, и он становится проводником. Почему это происходит? У полупроводников, таких как кремний и германий, в узлах кристаллической решётки атомы колеблются около своих положений равновесия, и уже при температуре 20°С это движение становится настолько интенсивным, что химические связи между соседними атомами могут разорваться. При дальнейшем повышении температуры валентные электроны (электроны, находящиеся на внешней оболочке атома) атомов полупроводников становятся свободными, и под действием электрического поля в полупроводнике возникает электрический ток. Характерной особенностью полупроводников является возрастание их проводимости с повышением температуры. У металлов же при повышении температуры проводимость уменьшается. Способность полупроводников проводить электрический ток возникает также при воздействии на них света, потока быстрых частиц, введении примесей и др. Изменение электропроводности полупроводников под действием температуры позволило применять их в качестве термометров для замера температуры окружающей среды, широко применяют в технике. С его помощью контролируют и поддерживают температуру на определённом уровне.



Благодаря свойствам полупроводников, они широко используются при создании транзисторов, тиристоров, полупроводниковых диодов, фоторезисторов и другой сложнейшей аппаратуры. Применение интегральных микросхем в теле-, радио- и компьютерных приборах позволяет создавать устройства небольших, а порой и ничтожно малых размеров.

 

Диэлектрики в электрическом поле

 

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 внесении в электрическое поле каких-либо диэлектриков электрическое поле изменяется. Рассмотрим, как оно изменяется в присутствии диэлектриков и в чем причины этих изменений.

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 (полярные) 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. 1 схематически показаны молекулы соляной кислоты (а) и воды (б) и соответствующие им дипольные моменты.

 

Рис. 1. Полярные диэлектрики. HCl – слева, H2O – справа.

 

 

В отсутствие электрического поля дипольные моменты молекул ориентированы хаотически (рис. 2, а) и векторная сумма моментов всех N молекул равна нулю:

Рис. 2. Полярный диэлектрик в отсутствии электрического поля (а) и в электрическом поле (б).

 

 

Если диэлектрик поместить в электрическое поле, то дипольные моменты молекул стремятся ориентироваться вдоль поля (рис. 2, б), однако полной ориентации не будет вследствие молекулярно-теплового хаотического движения. В этом случае .

Ко второму классу диэлектриков (неполярные) 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. 3 схематически в виде кружков показаны молекулы такого диэлектрика в отсутствие поля (а) и при наложении поля (стрелки у кружков означают дипольные моменты молекул).

 

Рис. 3. Неполярный диэлектрик в отсутствии (а) и при наличии электрического поля (б).

 

Третий класс — кристаллические диэлектрики (например, NaCl), 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 (полярных) характерна ориентационная поляризация, для второго — электронная (неполярных), т. е. смещение главным образом электронных оболочек, для третьего — ионная (кристаллические). 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 всех его N молекул нельзя, так 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:

(1)

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. 2,б и 3,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 σсв связанных электрических зарядов.

Таким образом, σсв также характеризует степень поляризации диэлектрика.

Установим связь между Ре и σсв на примере поляризованного диэлектрика, имеющего форму параллелепипеда (рис. 4,а).

Рис. 4. Поляризованный диэлектрик.

 

Такой параллелепипед представим как совокупность диполей, которые, простоты ради, можно рассматривать как «цепочки»; одна из них показана на рис. 4, 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 заряд qCB, то суммарный электрический момент всего параллелепипеда численно равен qсвl, но так как qCB = σCBS, то . Объем параллелепипеда . На основании двух последних равенств имеем

 

(2)

Учитывая (1) и (2), получаем:

,

Откуда:

(3)

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

Рис. 5

Рассмотрим, например, плоский диэлектрик, расположенный в однородном электрическом поле (рис. 5); — напряженность поля в отсутствие диэлектрика (поле в вакууме). Связанные заряды создают однородное поле напряженностью , в результате в диэлектрике будет электрическое поле напряженностью:

(4)

Известно, что диэлектрическая проницаемость среды ε равна отношению силы взаимодействия зарядов в вакууме к силе взаимодействия этих же зарядов на том же расстоянии в среде:

Так как напряженность электрического поля пропорциональна силе, действующей на, то аналогичное соотношение можно записать для Е0 и Е:

(5)

Напряженность электрического поля, образованного связанными электрическими зарядами:

Для данного примера из (3) имеем:

, (6)

Тогда . Подставляя это и (5) в формулу (4), получаем:

или

(7)

Как и можно было ожидать, поляризованность пропорциональна напряженности электрического поля в диэлектрике. На основании (7) вводят понятие диэлектрической восприимчивости среды:

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

В табл. 1 приведены значения диэлектрической проницаемос­ти с для различных биологических сред и некоторых веществ в постоянном электрическом поле при комнатной температуре.

Таблица 1

 

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

Для примера на рисунке приведены результаты исследования нескольких пациентов, у которых на основании измерения диэлектрической проницаемости кожных покровов была диагностирована меланома. Измерения проводились на группе добровольцев, имевших на поверхности кожи невус либо меланому. По клиническим показаниям новообразования были удалены и подвергнуты гистологическому исследованию, при котором диагноз был подтвержден морфологически. По данным гистологического исследования пять человек составила группа с диагнозом: внутридермальный пигментный невус кожи, пятерым поставлен диагноз меланома кожи. На рис. 4 представлены результаты измерений действительной части тканей кожи датчиком с глубиной зондирования 1.1 мм. Из экспериментальных данных следует, что электродинамические свойства пигментного невуса и здоровой кожи практически не отличаются. У тканей меланомы диэлектрическая проницаемость ε меньше чем у здоровой кожи примерно в 2 раза.

 

Рис. 4. Действительная часть эффективной диэлектрической проницаемости

кожи для датчика с глубиной зондирования 1.1 мм кожи в области пигментных новообразований [Янин Д.В., Галка А.Г. и др., институт прикладной физики РАН, 2014 г.].

 

 

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.