ТИПЫ ДИЭЛЕКТРИКОВ. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ.

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 22Следующая ⇒

Все вещества по электрическим свойствам условно делятся на три группы – проводники, диэлектрики и полупроводники. Диэлектрики отличаются от других веществ прочными связями электрических положительных и отрицательных зарядов, входящих в их состав. Вследствие этого электроны и ионы не могут свободно перемещаться под влиянием приложенной разности потенциалов. В диэлектриках всегда имеется некоторое количество слабо связанных зарядов, способных перемещаться внутри вещества на большие расстояния, т.е. диэлектрики не являются абсолютными непроводниками электрического тока.

Обычно к диэлектрикам относятся вещества, имеющие удельную электрическую проводимость не больше 10^-7 – 10^-8 См/м, проводникам – имеющие проводимость больше 10⁷ См/м. К диэлектрикам относятся все газы (включая пары металлов), многие жидкости, кристаллические, стеклообразные, керамические, полимерные вещества. Поскольку свойства вещества сильно зависят от его агрегатного состояния, обычно рассматривают отдельно физические явления в газообразных, жидких и твёрдых диэлектриках.

Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле E складывается из внешнего поля E₀ и внутреннего поля E¹ создаваемого заряженными частицами вещества.

Рис. 17. Электростатическая индукция.

Первую группу диэлектриков (N₂, Н₂, О₂, СО₂, СН₄, ...) составляют вещества, молекулы которых имеют симметричное строение, т. е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают и, следовательно, дипольный момент молекулы р равен нулю. Молекулы таких диэлектриков называются неполярными. Под действием внешнего электрического поля заряды неполярных молекул смещаются в противоположные стороны (положительные по полю, отрицательные против поля) и молекула приобретает дипольный момент.

Вторую группу диэлектриков (H₂O, NН₃, SO₂, CO,...) составляют вещества, молекулы которых имеют асимметричное строение, т. е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Таким образом, эти молекулы в отсутствие внешнего электрического поля обладают дипольным моментом. Молекулы таких диэлектриков называются полярными. При отсутствии внешнего поля, однако, дипольные моменты полярных молекул вследствие теплового движения ориентированы в пространстве хаотично и их результирующий момент равен нулю. Если такой диэлектрик поместить во внешнее поле, то силы этого поля будут стремиться повернуть диполи вдоль поля и возникает отличный от нуля результирующий момент.

Третью группу диэлектриков (NaCl, KCl, КВr, ...) составляют вещества, молекулы которых имеют ионное строение. Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков. В этих кристаллах нельзя выделить отдельные молекулы, а рассматривать их можно как систему двух вдвинутых одна в другую ионных подрешеток. При наложении на ионный кристалл электрического поля происходит некоторая деформация кристаллической решетки или относительное смещение подрешеток, приводящее к возникновению дипольных моментов.

Таким образом, внесение всех трех групп диэлектриков во внешнее электрическое поле приводит к возникновению отличного от нуля результирующего электрического момента диэлектрика, или, иными словами, к поляризации диэлектрика. Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появления под воздействием внешнего электрического поля ориентированных по полю диполей.

Диэлектрик состоит из атомов и молекул. Положительный заряд всех ядер молекулы равен суммарному заряду всех электронов и молекула в целом электрически нейтральна. Если в отсутствии внешнего электрического поля центры тяжести всех (и положительных и отрицательных) зарядов совпадают, и у молекулы нет дипольного момента, то такие диэлектрики называются неполярными.

Рис. 18. Поляризация неполярного диэлектрика.

Под действием внешнего поля заряды неполярных молекул смещаются в противоположные стороны, и молекула приобретает дипольный момент. Молекулы других веществ обладают дипольным моментом и в отсутствии внешнего электрического поля (полярные молекулы). Но из-за теплового движения дипольные моменты отдельных молекул ориентированы хаотично, их результирующий момент равен нулю.

Рис. 19. Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика.

Третьей группой диэлектриков являются ионные кристаллы, представляющие собой пространственные решетки с чередованием ионов разных знаков. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные не скомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов. Связанные заряды создают электрическое поле E¹ которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности E₀ внешнего поля. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика. В результате полное электрическое поле

E = E₀ + E¹ (4.1.)

внутри диэлектрика оказывается меньше внешнего поля E₀.

Физическая величина, равная отношению модуля напряженности E₀ внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности E полного поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества..

ε = E₀/E. (4.2.)

Основными механизмами поляризации диэлектриков являются ориентационная и электронная. Ориентационная или дипольная поляризация возникает в случае полярных диэлектриков, состоящих из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи. При отсутствии внешнего электрического поля оси молекулярных диполей ориентированы хаотично из-за теплового движения, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем равен нулю. При внесении диэлектрика во внешнее поле E₀ возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются не скомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле E¹ направленное навстречу внешнему полю E₀. Электронный или упругий механизм проявляется при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не обладают в отсутствие внешнего поля дипольным моментом. Под действием электрического поля молекулы неполярных диэлектриков деформируются – положительные заряды смещаются в направлении вектора E₀ а отрицательные – в противоположном направлении. В результате каждая молекула превращается в электрический диполь, ось которого направлена вдоль внешнего поля. На поверхности диэлектрика появляются не скомпенсированные связанные заряды, создающие свое поле E¹ направленное навстречу внешнему полю E₀. Так происходит поляризация неполярного диэлектрика. Электрическое поле E¹ связанных зарядов, возникающее при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, изменяется по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля E₀.

В случае полярных диэлектриков в сильных полях может наблюдаться эффект насыщения, когда все молекулярные диполи выстраиваются вдоль силовых линий. У многих неполярных молекул при поляризации деформируются электронные оболочки, поэтому этот механизм получил название электронной поляризации. В случае твердых кристаллических диэлектриков наблюдается так называемая, ионная поляризация, при которой ионы разных знаков, составляющие кристаллическую решетку, при наложении внешнего поля смещаются в противоположных направлениях, вследствие чего на гранях кристалла появляются связанные (не скомпенсированные) заряды. Примером такого механизма может служить поляризация кристалла NaCl, в котором ионы Na⁺ и Cl^– составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. В отсутствие внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла NaCl электро нейтральна и не обладает дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки смещаются в противоположных направлениях, т.е. кристалл поляризуется.

Если в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд Q, то напряженность поля E создаваемого этим зарядом в некоторой точке, и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме:

E = (1/4π ε ₀) (Q/ε r³), (4.3.)

φ = (1/4π ε ₀) (Q/ε r). (4.4.)

Во внешнем электрическом поле во всех типах диэлектриков возникает дипольный момент, т.е. происходит поляризация диэлектрика — ориентация диполей или появление новых ориентированных диполей. Различают три вида поляризации:

1) электронная поляризация диэлектрика из неполярных молекул, заключающаяся в возникновении у атомов индуцированного дипольного момента за счет деформации электронных орбит;

2) ориентационная поляризация диэлектрика с полярными молекулами, заключающаяся в ориентации дипольных моментов молекул по внешнему полю;

3) ионная поляризация диэлектриков, заключающаяся в смещении подрешетки положительных ионов вдоль поля, а отрицательных — против поля.

ПОЛЯРИЗОВАННОСТЬ.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒