Диэлектрики в электрическом поле. Полярные и неполярные неполярные диэлектрики.

Диэлектрики в электрическом поле ведут себя не так как проводник, хотя при этом у них есть нечто общее. Диэлектрики отличаются от проводников тем, что в них отсутствуют свободные носители зарядов. Всё-таки они там есть, но в очень малом количестве. В проводниках такими носителями зарядов являются электроны, свободно перемещающиеся вдоль кристаллической решётки металлов. Но вот в диэлектриках электроны прочно связаны со своими атомами и не могут свободно перемещается.

При внесении диэлектрика в электрическое поля в нем наступает электризация также как и в проводнике. Отличие же диэлектриков состоит в том что электроны не могут свободно перемещаться по объёму как это происходит в проводниках. Но под действием внешнего электрического поля внутри молекулы вещества диэлектрика появляется некоторое смещение зарядов. Положительный смещается вдоль направления поля, а отрицательный против. Вследствие этого поверхность получает некий заряд. Процесс образования заряда на поверхности диэлектриков под действием электрического поля называется поляризацией диэлектрика.

Все диэлектрики делятся на две категории. Диэлектрики, относящиеся к первой категории, имеют молекулы, которые даже в отсутствии внешнего электрического поля образуют диполи. Они называются полярными. К полярным диэлектрикам относятся вода аммиак ацетон и эфир. Диполи таких диэлектриков в отсутствии поля расположены хаотически вследствие теплового движения. И, следовательно, заряд на поверхности такого вещества равен нулю.

Но при внесении его во внешнее электрическое поля диполи то есть молекула стремятся развернуться вдоль поля. Получается, что положительный заряд предыдущего диполя смотрит на отрицательный следующего. Следовательно, они компенсируют друг друга. Но вот диполям находящимся возле самой поверхности не находится пара. Таким образом, на поверхности материала образуются нескомпенсированые связанные заряды. С одной стороны положительные с другой отрицательные. Но этому препятствует тепловое движение молекул.

Вторая категория диэлектриков это те, у которых внутри молекулы в свободном состоянии есть положительный и отрицательный заряды. Но они находятся так близко друг к другу, что их влияние взаимно компенсируется. Но при внесении такой молекулы в поле заряды сместятся на некоторое расстояние. Таким образом, образуется диполь. На такие молекулы не влияет тепловое движение и, следовательно, поляризация в них не зависит от температуры.

Заряды на поверхности диэлектриков в отличии зарядов индуцированных в проводниках нельзя отделить от поверхности. При снятии электрического поля поляризация пропадёт. Заряды снова перераспределятся в объёме вещества.

Напряжённость поля нельзя увеличивать безгранично. Так как при определенной величине заряды сместятся настолько, что произойдет структурное изменение материала, проще говоря, пробой диэлектрика. Он в этом случае теряет свои изоляционные свойства.

Источник

Диэлектрики в электрическом поле.

Диэлектрики (или изоляторы) — вещества, относительно плохо проводящие электрический ток (по сравнению с проводниками).

Термин «диэлектрик» (от греч. dia — через и англ. electric — электрический) был введен М. Фарадеем для обозначения веществ, через которые передаются электромагнитные взаимодействия.

В диэлектриках все электроны связаны, т. е. принадлежат отдельным атомам, и электричес­кое поле не отрывает их, а лишь слегка смещает, т. е. поляризует. Поэтому внутри диэлектрика может существовать электрическое поле, диэлектрик оказывает на электрическое поле опре­деленное влияние.

Диэлектрики делятся на полярные и неполярные.

Полярные диэлектрики состоят из молекул, в которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы можно представить в виде двух одинаковых по модулю разноименных точечных зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга, называемых диполем.

Неполярные диэлектрики состоят из атомов и молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов сов­падают.

Помещение полярного диэлектрика в электростатическое поле (например, между двумя заря­женными пластинами) приводит к развороту и смещению до этого хаотически ориентированных диполей вдоль поля.

Разворот происходит под действием пары сил, приложенных со стороны поля к двум зарядам диполя.

Смещение диполей называется поляризацией. Однако из-за теплового движения происходит лишь частичная поляризация. Внутри диэлектрика положительные и отрицательные заряды диполей компенсируют друг друга, а на поверхности диэлектрика появляется связанный заряд: отрицательный со стороны положительно заряженной пластины, и наоборот.

Неполярный диэлектрик в электрическом поле также поляризуется. Под действием электрического поля положительные и отрицательные заряды в молекуле смещаются в противоположные стороны, так что центры распределения зарядов смещаются, как у полярных молекул. Ось наве­денного полем диполя ориентирована вдоль поля. На поверхностях диэлектрика, примыкающих к заряженным пластинам, появляются связанные заряды.

Поляризованный диэлектрик сам создает электрическое поле .

Это поле ослабляет внутри диэлектрика внешнее элект­рическое поле . Степень этого ослабления зависит от свойств ди­электрика. Уменьшение напряженности электростатического поля в веществе по сравнению с полем в вакууме характеризуется относи­тельной диэлектрической проницаемостью среды.

Относительная диэлектрическая проницаемость среды ɛ — это физическая величина, показывающая, во сколько раз модуль напряженности электростатического поля E внутри однородного диэлект­рика меньше модуля напряженности поля E₀ в вакууме:

В соответствии с этим сила взаимодействия зарядов в среде в ɛ раз меньше, чем в вакууме:

.

Источник

Диэлектрики в электрическом поле

Рассмотрим подробнее процессы в диэлектрике, помещенном во внешнее электрическое поле, например, между разноименно заряженными электродами.

p = ql

Электрический момент рассматривают как векторную величину p, направленную от отрицательного заряда диполя к положительному.

Рисунок 1 — неполярная молекула а) при отсутствии внешнего поля; б) при наличии внешнего поля; в) ее эквивалентный диполь

Рисунок 2 — Поляризованный диэлектрик

Таким образом, неполярные молекулы во внешнем поле становятся диполями, электрические моменты p которых стремятся расположиться в направлении внешнего поля, и диэлектрик поляризуется (рис. 2). При исчезновении внешнего поля смещение исчезают и молекулы снова становятся электрически нейтральными. Рассмотренная поляризация называется деформационной.

При той или другой поляризации диэлектрика поле его диполей, или поле поляризации E_п (рис. 4.12), направлено

Рисунок 3 — Полярные молекулы

от положительных зарядов к отрицательным, т. е. противоположно внешнему полю Е_вн. Напряжённости результирующего поля E, равная алгебраической сумме напряженностей внешнего поля и поля поляризации, меньше напряженности внешнего поля, т. е.

Чем сильнее поляризуется диэлектрик, тем слабее результирующее поле, т. е. меньше его напряженность E при том же внешнем поле, а следовательно, тем больше его диэлектрическая проницаемость E_r.

У диэлектрика, находящегося в периодически изменяющемся внешнем электрическом поле, смещение зарядов также будет периодическим, что вызывает нагревание диэлектрика. Чем с большей частотой изменяется внешнее поле, тем сильнее нагрев диэлектрика. Это явление применяется для нагрева и сушки влажных материалов, для получения или ускорения химических реакций, требующих повышенной температуры.

Мощность, идущая на нагрев диэлектрика при периодическом смещении зарядов диэлектрика (связанных зарядов) и отнесенная к единице объеме, называется удельными диэлектрическими потерями.

Источник

Полярные и неполярные диэлектрики

Согласно воззрениям классической физики диэлектрики коренным образом отличаются от проводников тем, что в обычных условиях свободные электрические заряды в них отсутствуют. Суммарный заряд частиц, образующих молекулы диэлектриков, равен нулю. Однако это вовсе не означает, что молекулы данных веществ не способны проявлять электрических свойств.

Все известные линейные диэлектрики можно разделить на две большие группы: полярные диэлектрики и неполярные диэлектрики. Данное разделение вводится в силу различий в механизмах поляризации молекул каждого типа диэлектриков. На самом деле механизм поляризации оказывается исключительно важным аспектом в изучении как физических и химических свойств диэлектриков, так и в изучении их электрических свойств.

Неполярные диэлектрики называются еще нейтральными диэлектриками, потому что молекулы, из которых данные диэлектрики состоят, отличаются совпадением центров тяжести отрицательного и положительного зарядов внутри них. В результате получается, что молекулы неполярных диэлектриков не имеют собственного электрического момента, он равен нулю. И при отсутствии внешнего электрического поля положительные и отрицательные заряды молекул таких веществ расположены симметрично.

Если же внешнее электрическое поле к неполярному диэлектрику приложить, то положительные и отрицательные заряды в молекулах сместятся от исходного положения равновесия, молекулы превратятся в диполи, электрические моменты которых окажутся теперь пропорциональны напряженности приложенного к ним электрического поля, и будут направлены параллельно полю.

Неполярные диэлектрики благодаря низким значениям тангенса угла диэлектрических потерь находят широкое применение в качестве высокочастотных диэлектриков в конденсаторах, таких как К78-2.

У полярных диэлектриков, которые называются также дипольными диэлектриками, молекулы обладают собственным электрическим моментом, то есть молекулы их полярны. Причина в том, что у полярных диэлектриков молекулы имеют асимметричное строение, поэтому центры масс отрицательных и положительных зарядов в молекулах таких диэлектриков не совпадают.

Если в неполярном полимере некоторые из атомов водорода заменить на атомы других элементов или на не углеводородные радикалы, то получится как раз полярный (дипольный) диэлектрик, поскольку симметрия в результате такой замены нарушится. Определяя по химической формуле полярность вещества, исследователю следует, конечно, иметь представление о пространственном строении его молекул.

Когда внешнее электрическое поле отсутствует, оси молекулярных диполей из-за теплового движения ориентированы хаотично, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе его объема электрический заряд в среднем равен нулю. Однако при внесении диэлектрика во внешнее поле возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле направленное навстречу внешнему полю.

В качестве примеров полярных диэлектриков, можно назвать следующие: хлорированные углеводороды, эпоксидные и фенол-формальдегидные смолы, кремнийорганические соединения и т. д. Молекулы воды и спирта, например, также являются яркими примерами полярных молекул. Полярные диэлектрики находят широкое применение в различных областях техники, таких как пьезо- и сегнетоэлектричество, оптика, нелинейная оптика, электроника, акустика и др.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник

Неполярные диэлектрики в электрическом поле

3.2.1. Полярные и неполярные молекулы

Учтем, что в составе атомов и молекул содержатся положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны. Для расстояний, больших по сравнению с размерами молекулы, наличие многих электронов эквивалентно действию их суммарного заряда, помещенного в центр тяжести положительного заряда. Тогда в целом оказывается, что атом или молекула электрически нейтральны.

Различают неполярные и полярные молекулы. В отсутствие внешнего электрического поля у неполярной молекулы центр тяжести положительного заряда совпадает с центром тяжести отрицательного заряда. Для полярной молекулы центр тяжести положительного заряда не совпадает с центром тяжести отрицательного заряда, благодаря чему такая молекула эквивалентна электрическому диполю и обладает собственным дипольным моментом (Рис. 3.2.1):

Рис. 3.2.1. Дипольный момент полярной молекулы

Подставляя (3.2.2) и (3.2.3) в (3.2.1), получаем:

Процесс поляризации неполярной молекулы протекает так, как если бы положительные и отрицательные заряды атома (молекулы) были связаны друг с другом упругими силами. Поэтому неполярная молекула под действием поля ведет себя как упругий диполь.

Действие внешнего поля на полярную молекулу сводится к стремлению повернуть молекулу так, чтобы ее дипольный момент установился по направлению поля. Полярная молекула во внешнем поле представляет собой жесткий диполь.

В отсутствие внешнего электрического поля дипольные моменты молекул диэлектрика или равны нулю (неполярные молекулы), или распределены по направлениям в пространстве хаотическим образом (полярные молекулы). В обоих случаях суммарный электрический момент диэлектрика равен нулю.

Опыт показывает, что для большинства диэлектриков выполняется соотношение:

Рассмотрим процесс поляризации однородного диэлектрика. Пусть поле в диэлектрике создается системой свободных зарядов на проводящих обкладках конденсатора (Рис. 3.2.2).

Рис. 3.2.2. Плоский конденсатор с диэлектриком

Пусть диэлектрик состоит из атомов одного сорта, тогда под действием поля каждый атом поляризуется (Рис. 3.2.3).

Рис. 3.2.3. Распределение электронов в атоме в электрическом поле

Если таких атомов в единице объема N, то имеем:

Если положительные и отрицательные заряды внутри диэлектрика имеют одинаковую среднюю плотность, то сам факт их смещения не приводит к появлению суммарного заряда внутри объема, поскольку происходит общая компенсация.

В случае плоского конденсатора достаточно посмотреть, что происходит на поверхности. На одной поверхности электроны эффективно выдвинулись на расстояние δ на другой поверхности они сдвинутся внутрь, оставив положительные заряды на расстоянии δ снаружи. Возникает поверхностная плотность зарядов (поляризационный заряд) (Рис. 3.2.4)

Рис. 3.2.4. Диэлектрик в однородном поле

Используем теорему Гаусса: поток вектора электрического поля через замкнутую поверхность равен сумме всех зарядов внутри этой поверхности, деленной на ε₀:

Применяя соотношение (3.2.10) к поверхности S на Рис.3.2.2 и учитывая симметрию задачи, можно заменить интеграл суммой и записать:

Кроме того, при записи (3.2.11) предполагалось, что диэлектрик на Рис.3.2.2 целиком заполняет пространство между пластинами. Подставляя результат (3.2.9) в (3.2.11), получим:

Подставляя (3.2.7) в (3.2.12), имеем:

Из (3.2.15) следует физический смысл этой макроскопичекой постоянной ε как основного параметра диэлектрика: макроскопическое (среднее) поле в конденсаторе с диэлектриком в ε раз меньше, чем поле в таком же конденсаторе без него.

3.2.2. Процесс поляризации
однородного диэлектрика

Процесс поляризации диэлектрика существенно связан с его внутренним строением.

Дипольная (реориентационная) поляризация дает преобладающий вклад в общую поляризацию вещества, если в его составе есть молекулы или молекулярные группы, обладающие постоянным электрическим моментом. Такие молекулы (молекулярные группы) должны быть образованы ионами с различной электроотрицательностью, что приводит к асимметрии расположения электрического заряда. Действие электрического поля, помимо электронной поляризации входящих в состав полярной молекулы или молекулярной группы атомов, приводит к поворотам дипольных молекул так, что их оси (или проекции на направление электрического поля) становятся параллельными внешнему полю. В результате, как и ранее, внутри диэлектрика формируется электрическое поле, направленное против внешнего, благодаря чему общее поле внутри диэлектрика будет в ε раз меньше, чем внешнее. Однако ориентирующему действию электрического поля противостоит тепловое движение молекул, производящее обратный эффект. С повышением температуры тепловое движение существенно уменьшает преимущественную ориентацию полярных молекул вдоль поля, благодаря чему в таких веществах диэлектрические свойства, например диэлектрическая проницаемость, также начинают зависеть от температуры по закону:

Рис. 3.2.5. Постоянный электрический момент молекулы воды

© ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2015

Источник