|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Поляризация диэлектриков |
 | |
Анимация
Описание
Вещества, которые не проводят электрического тока, называются диэлектриками. При не слишком высоких температурах и в условиях, когда диэлектрики не подвержены действию очень сильных электрических полей, в этих веществах, в отличие от проводников, отсутствуют свободные носители электрического тока.
Молекулы диэлектрика электрически нейтральны и содержат равное число положительных и отрицательных зарядов. Тем не менее, молекулы обладают электрическими свойствами. В первом приближении молекулу диэлектрика можно рассматривать как диполь, имеющий дипольный электрический момент:
pe=ql,
где q - абсолютная величина суммарного положительного (а также суммарного отрицательного) зарядов, расположенных, соответственно, в центрах тяжести этих зарядов;
l - расстояние между центрами, тяжести положительных и отрицательных зарядов.
Диэлектрик называется неполярным (неполярный диэлектрик), если электроны атомов в его молекулах расположены симметрично относительно ядер (H2, O2, CCl4 и др.). В таких молекулах центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают в отсутствие внешнего электрического поля (l = 0) и дипольный момент pe молекулы равен нулю. Если неполярный диэлектрик помещен во внешнее электрическое поле, то происходит деформация электронных оболочек в атомах (молекулах) и центры тяжести положительных и отрицательных зарядов смещаются друг относительно друга (l≠0). В молекуле (атоме) диэлектрика возникает индуцированный (наведенный) дипольный электрический момент, пропорциональный напряженности Е электрического поля:
pe=e0aE, (в СИ)
pe=aE, (в СГСЭ)
где a - коэффициент поляризуемости (поляризуемость) молекулы (атома);
e0=8.85·10-12 Ф/м - электрическая постоянная в СИ.
Поляризуемость молекулы зависит только от объема молекулы. Существенно, что a не зависит от температуры. Тепловое движение молекул неполярных диэлектриков не сказывается на возникновении индуцированных дипольных моментов. Молекулы с такими дипольными моментами подобны квазиупругим (индуцированным) диполям.
Полярным диэлектриком называется такой диэлектрик, молекулы (атомы) которого имеют электроны, расположенные несимметрично относительно своих ядер (H2O, HCl, NH3, CH3Cl и др.). В таких молекулах центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают, находясь, практически, на постоянном расстоянии l друг от друга. Молекулы полярных диэлектриков по своим электрическим свойствам подобны жестким диполям, у которых имеется постоянный дипольный момент:
pe=const.
Жесткий диполь, помещенный в однородное внешнее электростатическое поле, испытывает действие пары сил с моментом М равным:
М=[рeЕ].
Момент пары М направлен перпендикулярно к плоскости, проходящей через векторы pe и E, причем из конца М вращение от pe к E по кратчайшему пути видно происходящим против часовой стрелки. На рис. 1 момент М направлен от нас за чертеж и стремится повернуть диполь так, чтобы векторы pe и E были параллельны друг другу.
Действие электрического поля на диполь
Рис. 1
В реальных молекулах полярных диэлектриков помимо поворота осей диполей вдоль поля происходит деформация молекул, и в них создается некоторый индуцированный дипольный момент.
Если полярный диэлектрик не находится во внешнем электрическом поле, то в результате хаотического теплового движения молекул векторы их дипольных моментов ориентированы хаотически. Поэтому в любом физически бесконечно малом объеме DV сумма дипольных моментов всех молекул равна нулю. (При этом DV>>v0, где v0 - объем одной молекулы, и в объеме DV содержится весьма большое число молекул).
В неполярном диэлектрике, не находящемся во внешнем электрическом поле, вообще не могут возникнуть дипольные индуцированные моменты молекул. При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле происходит поляризация диэлектрика, состоящая в том, что в любом элементарном объеме DV возникает суммарный дипольный момент молекул, отличный от нуля. Диэлектрик, который находится в таком состоянии, называется поляризованным (поляризованный диэлектрик). В зависимости от строения молекул (атомов) диэлектрика различается три типа поляризации:
а) ориентационная поляризация в полярных диэлектриках. Внешнее электрическое поле стремится ориентировать дипольные моменты жестких диполей вдоль направления электрического поля. Этому препятствует хаотическое тепловое движение молекул, стремящееся произвольно «разбросать» диполи. В итоге совместного действия поля и теплового движения возникает преимущественная ориентация дипольных электрических моментов вдоль поля, возрастающая с увеличением напряженности электрического поля и с уменьшением температуры;
б) электронная (деформационная) поляризация в неполярных диэлектриках. Под действием внешнего электрического поля в молекулах диэлектриков этого типа наводятся индуцированные дипольные моменты, направленные вдоль поля. Тепловое движение молекул не оказывает влияния на электронную поляризацию. В газообразных и жидких диэлектриках практически одновременно с ориентационной происходит и электронная поляризация.
в) ионная поляризация в твердых диэлектриках, имеющих ионные кристаллические решетки. Например, NaCl, CsCl и др. Внешнее электрическое поле вызывает смещения всех положительных ионов в направлении напряженности E, а всех отрицательных ионов - в противоположную сторону.
Количественной мерой поляризации диэлектрика является вектор поляризации pe. Вектором поляризации (поляризованностью) называется отношение электрического дипольного момента малого объема DV диэлектрика к величине этого объема:
,
где pei - электрический дипольный момент i-й молекулы;
n - общее число молекул в объеме DV.
Этот объем должен быть настолько малым, чтобы внутри него электрическое поле можно было считать однородным. Одновременно число n молекул в объеме DV должно быть достаточно велико для того, чтобы можно было применять статистические методы исследования.
Для однородного неполярного диэлектрика, находящегося в однородном электрическом поле:
Pe= n0 pe,
где n0 - число молекул в единице объема,
pe - дипольный момент одной молекулы.
Используя формулу для pe, получим:
Pe=n0e0aE=e0cE, (в СИ)
Pe=n0aE=cE, (в СГСЭ)
где величина
c= n0a (1)
есть диэлектрическая восприимчивость вещества.
Для однородного полярного диэлектрика, находящегося в однородном электрическом поле:
Pe=n0<pe>,
где <pe> - среднее значение составляющей постоянного дипольного момента молекулы вдоль напряженности поля.
Если полярный диэлектрик находится в слабом внешнем электрическом поле, то диэлектрическая восприимчивость вычисляется по формуле Дебая-Ланжевена:
(2)
здесь k - постоянная Больцмана;
T - абсолютная температура.
На рис. 2 показана зависимость c=c(1/T) для неполярных (а) и полярных (b) молекул.
Диэлектрическая восприимчивость для полярных и неполярных диэлектриков
Рис. 2
Прямая (b) не проходит через начало координат ввиду того, что в полярных молекулах обычно происходят ориентационная и электронная поляризации и диэлектрическая восприимчивость состоит из двух частей:
c=c'+c",
где c' и c" выражаются формулами (1) и (2).
Если диэлектрик находится в однородном электрическом поле, то электрическая нейтральность любого его объема DV, содержащего достаточно большое число молекул, обеспечивается взаимной компенсацией противоположных по знаку зарядов диполей, расположенных рядом. В тонких слоях у поверхностей S1 и S2 диэлектрика, ограничивающих его объем, в результате поляризации диэлектрика возникают поверхностные поляризационные заряды (рис. 3).
Механизм поляризации диэлектрика
Рис. 3
У поверхности, в которую входят линии напряженности внешнего поля, возникают отрицательные заряды концов молекул диполей, а у противоположной поверхности возникают положительные заряды.
Поверхностная плотность sp поляризационных зарядов вычисляется по формуле:
sp=Pen,
где Pen - проекция вектора Pe на внешнюю нормаль к поверхности диэлектрика.
В неоднородном электрическом поле поляризация диэлектрика также неоднородна и вектор поляризации Pe зависит от координат. Поэтому кроме поверхностных поляризационных зарядов возникают объемные поляризационные заряды, распределенные с объемной плотностью rp:
rp= - div Pe,
где div Pe - дивергенция вектора поляризации.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Явление поляризации диэлектриков используется в конденсаторах, в радиочастотных кабелях, электрических линиях задержки.
Реализации эффекта
Техническая реализация эффекта
Данный эффект можно реализовать путем внесения диэлектрика в пространство между обкладками воздушного конденсатора. В результате взаимодействия поля конденсатора с диэлектриком последний поляризуется (см. схему анимации).
Литература
1. Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1990.
2. Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Наука, 1978. - Т. 2.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |