Диэлектрики с неполярными и полярными молекулами. Диэлектрики в электрическом поле. Диэлектрическая проницаемость среды.

Диэлектриками называют материалы, которые при обычных условиях не проводят электрический ток. Согласно представлениям классической теории диэлектрики состоят из электрически нейтральных молекул, поэтому при разделении тела из диэлектрика в электрическом поле на две части, каждая из них оказывается нейтральной, т.к. диэлектрик не содержит свободных носителей заряда. Все электроны связаны со своими атомами.

Первую группу диэлектриков (N2, H2, O2, CO2, CH4,..) 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 p 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, NH3, SO2, CO,..) составляют вещества, молекулы которых имеют ассиметричное 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, KBr,.) составляют вещества, молекулы которых имеют ионное строение. Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков.

Внесение трех групп диэлектриков во внешнее электрическое поле приводит к возникновению отличного от нуля результирующего электрического момента диэлектрика, т.е. к поляризации диэлектрика.

Идеальный диэлектрик не содержит в себе зарядов, способных к перемещению на значительные расстояния, то есть свободных зарядов в идеальном диэлектрике нет. Однако, помещенный во внешнее электростатическое поле, диэлектрик реагирует на него. Происходит поляризация диэлектрика, то есть под действием электрического поля, заряды в диэлектрике смещаются. Это свойство, способность диэлектрика к поляризации, является главным свойством диэлектриков.

При поляризации происходит смещение зарядов под действием электростатического поля. В итоге, каждый атом или каждая молекула создает электрический момент P.

Заряды диполей внутри диэлектрика взаимно компенсируют друг друга, однако на наружных поверхностях, которые прилегают к электродам, служащим источником электрического поля, появляются поверхностно связанные заряды, имеющие противоположный заряду соответствующего электрода знак.

Электростатическое поле связанных зарядов E' всегда направлено противоположно внешнему электростатическому полю E0. Получается, что внутри диэлектрика есть электрическое поле, равное E = E0 – E'.

Диэлектрики в электрическом поле ведут себя согласно своему внутреннему строению. Их еще называют непроводниками, поскольку, как известно, они представляют собой вещества, не проводящие практически электрический ток. В них не содержатся свободные носители заряда, которые были бы способны перемещаться внутри данного диэлектрика.

Величина ε _С, характеризующая зависимость силы взаимодействия между зарядами от окружающей среды, называется диэлектрической проницаемостью этой среды.

Таким образом, формула принимает следующий вид:

F=q₁q₂/4π ε _Сr²

Для силы взаимодействия этих же зарядов в вакууме F₀ формулу можно записать в виде:

F₀=q₁q₂/4π ε ₀r²

Здесь ε ₀ называется электрической постоянной. Ее величина определяется выбором единиц измерения и находится с помощью опытов.

Разделив получим:

F₀/F=ε _С/ε ₀=ε

Величина ε =ε _С/ε ₀ называется относительной диэлектрической проницаемостью среды. Ее значение — эго отвлеченное число, всегда большее единицы, так как ε _С> ε ₀. Относительная диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз сила взаимодействия электрических зарядов в этой среде меньше, чем в вакууме. Числовое значение ε определяют опытным путем и при расчетах берут из таблиц.

Диэлектрическая проницаемость среды ε _С равна:

ε _С=ε ε ₀

Подставив это значение ε _С в получим:

F=q₁q₂/4π ε ε ₀r²

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: