Диэлектриков. Поляризованность.

Диэлектрики, непроводники, или изоляторы—тела, плохо проводящие или совершенно не проводящие электричества. Такими телами являются напр. стекло, слюда, сера, парафин, эбонит, фарфор и т. П

Диэлектриками называются вещества, которые при обычных условиях практически не проводят электрический ток.По классической теории электропроводности в диэлектриках отсутствуют свободные носители заряда, которые могли бы под действием электрического поля образовать электрический ток проводимости. Диэлектриками являются: все газы, если они не ионизировались; жидкости – дистиллированная вода, бензол, нефтяные и растительные масла; твердые тела – стекло, фарфор, слюда и др. Удельное сопротивление диэлектриков в 1020 раз больше, чем проводников. Все молекулы диэлектрика электрически нейтральны. Тем не менее они обладают электрическими свойствами. В первом приближении молекула – электрический диполь с электрическим моментом P=Ql , где Q – суммарный положительный заряд всех атомных ядер в молекуле; l – вектор, проведенный из «центра тяжести» электронов в молекуле в «центр тяжести» положительных зарядов атомных ядер. «Центр тяжести» заряда надо понимать также, как центр тяжести материального тела, только по отношению к зарядовому свойству частицы. Сравните обруч и диск, у которых центры тяжести совпадают с центрами симметрии, несмотря на то, что масса обруча распределена по его ободу, а у диска по всей окружности. Электронное облако в молекуле можно представить как обруч, только заряженный, центр тяжести заряда которого расположен в центре облака. Диэлектрик неполярный, если при отсутствии внешнего электрического поля «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов в молекулах этого диэлектрика совпадают, и дипольные моменты молекул равны нулю.

К неполярным диэлектрикам относятся молекулы водорода, кислорода, азота и др. Поместим такой диэлектрик во внешнее электрическое поле, которое по-разному действует на положительные и отрицательные заряды молекул: поле «тянет» положительные заряды по полю, а отрицательные – против поля. Между «центрами тяжести» положительных и отрицательных зарядов появится наведенное плечо диполя l, т. е. неполярная молекула приобретает во внешнем электрическом поле индуцированный электрический момент ∆Pe , величина которого пропорциональна напряженностиE внешнего поля (рис. 4.1).

Неполярная молекула подобна упругому диполю, длина плеча которого l , пропорциональная растягивающей его силе, т. е. пропорциональна напряженности внешнего электрического поля. Тепловое движение молекул никак не влияет на величину и ориентацию индуцированных электрических моментов ∆Pe .Диэлектрик полярный (диэлектрик с полярными молекулами), если его молекулы (атомы) имеют электроны, расположенные несимметрично относительно атомных ядер. К таким диэлектрикам относятся вода, спирты, полихлорид и др. При несимметричном расположении электронов «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов не совпадают, даже когда нет внешнего электрического поля (сравните окружность, у которой один центр, и эллипс, у которого два центра).Если такую молекулу поместить во внешнее электрическое поле с напряженностью E , то следует ожидать, что она будет деформироваться, как и неполярная молекула. Однако полярная молекула напоминает жесткий диполь, у которого расстояние между «центрами тяжести» положительных и отрицательных зарядов (плечо l ) не меняется под действием внешнего поля, а вот ориентация его электрического момента может измениться. Пара сил со стороны электрического поля Pe может развернуть молекулу (атом) полярного диэлектрика (4.2) Молекула полярного диэлектрика во внешнем электрическом поле: а – когда поля нет – вектор Pe пропорционально ориентирован; б – молекула во внешнем электрическом поле E

Вектор момента пары сил

Из рис. 4.2 видно, что внешнее поле стремится развернуть диполь так, чтобы его электрический момент Pe совпадал с направлением E. Такая ориентация P↑↑E соответствует положению равновесия диполя во внешнем электрическом поле.

Поляризация диэлектриков

У неполярного диэлектрика нет электрического момента ни у одной молекулы (атома) при отсутствии внешнего электрического поля. У полярного же диэлектрика любая молекула (атом) обладает электрическим моментом, но в силу хаотического теплового движения эти моменты ориентированы беспорядочно. Поэтому, если взять малый объем диэлектрика (но во много раз больший объема одной молекулы), то окажется, что сумма всех электрических моментов молекул будет равна нулю при отсутствии внешнего поля у любого диэлектрика. Если же диэлектрики поместить во внешнее электрическое поле, то с ними происходят изменения (рис. 4.3). Поляризация диэлектриков: а – неполярный диэлектрик при отсутствии электрического поля; б – неполярный диэлектрик во внешнем электрическом поле E ; в – полярный диэлектрик при отсутствии электрического поля; г – полярный диэлектрик во внешнем электрическом поле E. Возникновение отличного от нуля суммарного электрического момента молекул в любом макроскопическом малом объеме диэлектрика при внесении его во внешнее электрическое поле, называется поляризацией диэлектрика, а диэлектрик в таком состоянии называют поляризованным. В зависимости от строения молекул различают три типа поляризации: ориентационную, электронную и ионную. Ориентационная поляризация наблюдается у полярных диэлектриков. Внешнее электрическое поле разворачивает жесткие диполи так, чтобы электрические моменты молекул были ориентированы по направлению вектора напряженности электрического поля, чему препятствует хаотическое тепловое движение молекул. В итоге возникает преимущественная ориентация электрических моментов молекул (рис. 4.3, г), которая возрастает с уменьшением температуры и с увеличением напряженности электрического поля. Электронная (деформационная) поляризация наблюдается у неполярных диэлектриков, когда внешнее поле наводит электрические моменты в молекулах, которые всегда ориентированы вдоль вектора напряженности электрического поля (рис. 4.3, б) Ионная поляризация наблюдается в твердых диэлектриках, имеющих ионную кристаллическую решетку. В таких диэлектриках под воздействием электрического поля происходит смещение всех положительных ионов в направлении напряженности поля, а всех отрицательных ионов – в противоположную сторону.

Поляризованность диэлектрика

Количественной характеристикой поляризации диэлектрика является вектор P, называемый вектором поляризации и равный электрическому дипольному моменту единицы объема однородного диэлектрика: (4.1) где – наведенный электрический дипольный момент i-й молекулы; n – общее число молекул в объеме . Надо иметь в виду, что электрическое поле в пределах этого объема должно быть однородным, а . В пределах объема все молекулы неполярного диэлектрика приобретают одинаковые индуцированные электрические моменты , т. е. вектор поляризации неполярного диэлектрика в электрическом поле напряженности определяется как (4.2) где – концентрация молекул

Если учесть, что , где – поляризуемость атома (молекулы); – электрическая постоянная; R – линейный размер атома (молекулы), получим где – безразмерная величина, которая называется диэлектрической восприимчивостью неполярного диэлектрика . Отметим, что температура может влиять на значение косвенно – через концентрацию атомов (молекул). Вектор поляризации полярного диэлектрика (4.3) где – среднее значение вектора дипольного момента для всех n молекул, содержащихся в малом объеме диэлектрика.

Векторы молекул – жесткие диполи, которые одинаковы по величине (модулю), но ориентированы в поле по-разному. Применяя распределение Больцмана для молекул в потенциальном поле, можно показать, что в слабых электрических полях (4.4) где k – постоянная Больцмана; T – температура диэлектрика, т. е. диэлектрическая восприимчивость полярного диэлектрик а и явно зависит от температуры. В сильном электрическом поле электрические моменты всех молекул располагаются практически параллельно вектору, и тогда вектор поляризации достигает своего максимального значения В результате поляризации диэлектрика в тонких слоях ограничивающих его поверхностей возникают не скомпенсированные поляризационные заряды (рис. 4.4). Ситуация, представленная на рис. 4.4, может быть смоделирована как большой диполь, где +Q и -Q – поляризационные заряды в I и III областях диэлектрика (рис. 4.5). Если S– площадь оснований диэлектрика, а l – плечо (длина диэлектрика) диполя, то поляризационный заряд можно найти по формуле Q=n₀qlS=PS , откуда P=Q/S=σ_p , где σ_p – поверхностная плотность поляризационных зарядов.

Таким образом, вектор поляризации (а в общем виде его проекция на нормаль к площадке торца диэлектрика) по модулю равен поверхностной плотности поляризационных зарядов (которые еще называют связанными, в отличие от свободных зарядов в металле) и измеряется в кулонах на метр квадратный (Кл/м²).В неоднородном электрическом поле в диэлектрике могут возникнуть объемные поляризационные заряды

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: