Диэлектрики в электростатическом поле

Диэлектрики – вещества, которые практически не проводят электрический ток (изоляторы). В отличие от проводников в диэлектриках нет свободных носителей тока.

Молекулы диэлектрика электрически нейтральны: суммарный заряд электронов и атомных ядер, входящих в состав молекулы равен 0. Однако молекулы обладают электрическими свойствами.

В первом приближении молекулу можно рассматривать как электрический диполь с дипольным моментом , где q – суммарный положительный заряд всех атомных ядер в молекуле; – вектор, проведенный из «центра тяжести» электронов в молекуле в «центр тяжести» положительных зарядов атомных ядер. Как всякий электрический диполь, молекула создает электрическое поле.

У симметричных молекул (Н₂, О₂, N₂) в отсутствие внешнего поля = 0 (т.е. «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов совпадают) и р= 0. Такие молекулы называются неполярными, а диэлектрик – неполярным.

У несимметричных молекул (СО₂, NH₃, HCl) «центры тяжести» зарядов сдвинуты друг относительно друга. и р ≠ 0, т.е. молекулы обладают собственным дипольным моментом Такие молекулы называются полярными, а диэлектрик – полярным. У таких молекул р = const(жесткий диполь).

Под действием внешнего электрического поля происходит поляризация диэлектрика.

У неполярного диэлектрика происходит деформация электронных оболочек атомов и молекул. Центры тяжести положительных и отрицательных зарядов смещаются относительно друг друга и неполярная молекула приобретает во внешнем электрическом поле индуцированный дипольный момент, пропорциональный напряженности поля:

р = ε ₀α Е,

где α – поляризуемость молекулы. Такая поляризация называется электронной или деформационной.

У полярного диэлектрика, когда внешнее электрическое поле отсутствует, в результате хаотического теплового движения молекул векторы их дипольных моментов р ориентированы хаотически. Поэтому суммарный дипольный момент полярного диэлектрика Σ р_i = 0.

Под действием внешнего электрического поля дипольные моменты молекул ориентируются в направлении вектора Е. Такая поляризация называется ориентационной или дипольной.

В ионных кристаллах (NaCl и др.) под влиянием внешнего электрического поля положительные и отрицательные ионы смещаются в противоположные стороны. Каждая ячейка кристалла становится диполем, и кристалл поляризуется. Такая поляризация называется ионной решеточной.

Количественной мерой поляризации диэлектрика является поляризованность диэлектрика Р:

,

где р_i – дипольный момент i - ой молекулы; N – общее число молекул в объеме Δ V.

Поляризованность Р изотропных диэлектриков любого типа связана с напряженностью Е поля соотношением

, (1.10)

где – диэлектрическая восприимчивость диэлектрика, не зависящая от Е величина.

Различают два типа возбудителей (источников) электростатического поля в диэлектрике:

1) свободные заряды;

2) связанные или поляризационные заряды.

Например, поле в конденсаторе создается свободными зарядами на обкладках конденсатора с поверхностной плотностью σ и связанными зарядами с плотностью σ ′, возникающими при поляризации диэлектрика.

Так как σ ′ < σ, то результирующая напряженность поля равна

Е = Е₀ – Е′ ,

где Е₀ – напряженность внешнего поля; Е′ – напряженность поля, вызванного поляризацией диэлектрика.

Вычисление полей в диэлектрике упрощается, если ввести величину D, называемую вектором электрического смещения (электрической индукцией). Величина D характеризует электрическое поле, создаваемое только свободными зарядами, и определяется соотношением

D = ε ₀ E + P. (1.11)

Подставляя (1.10) в (1.11), получаем

 

D = ε ₀(1 + ) E . (1.12)

Безразмерная величина называется диэлектрической проницаемостью вещества. Для вакуума ε = 1, для диэлектриков ε > 1. Величина ε показывает, во сколько раз напряженность поля в вакууме больше напряженности поля в диэлектрике:

.

Таким образом, выражение (1.12) принимает вид

.

Следовательно, напряженность поля Е зависит от свойств среды, а электрическое смещение D – нет.

 

Лабораторная работа №1

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. III. Изучение геологического строения месторождений и вещественного состава полезного ископаемого
2. V). Фотосъёмки, произведённые 21 декабря 1944 во время полета 15SG/994 для оценки причинённого бомбардировкой ущерба.
3. V. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВЕЩЕСТВЕ
4. V. ТИПОВАЯ ФРАЗЕОЛОГИЯ РАДИООБМЕНА ДИСПЕТЧЕРОВ ОРГАНОВ ОБСЛУЖИВАНИЯ ВОЗДУШНОГО ДВИЖЕНИЯ (УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТАМИ) С ЭКИПАЖАМИ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
5. А. Полезна ли деятельность профсоюзов для функционирования рынка труда?
6. Аллювий, его фации и их особенности. Полезные ископаемые, связанные с аллювием.
7. Бесполезно сердиться или разочаровываться в самом себе
8. Бесполезность всех остальных способов приближения к Аллаху
9. Биологические и хозяйственно - полезные признаки сельскохозяйственной птицы.
10. БЛАГА, ПОЛЕЗНОСТЬ. ТЕОРИЯ ПРЕДЕЛЬНОЙ ПОЛЕЗНОСТИ
11. БЛИЖНИЙ ВОСТОК — ПОЛЕМ БИТВЫ
12. БСП однородного состава, внутри кот. выд. предл. со знач. перечисл. и сопост. (т.е. отнош., хар-ные для ССП): лошади тронулись, кибитка полетела, колокольчик зазвенел.