Чудо  - Рациональность - Наука - Духовность

Клуб Исследователь - главная страница

ЖИЗНЕННЫЙ ПУТЬ - это путь исследователя, постигающего тайны мироздания

Чем больше знаешь, тем больше убеждаешься что ни чего не знаешь...

Главная

Библиотека

О клубе
ГАИ "Алтай-Космопоиск"
Путеводитель по Алтаю
Маршруты (походы)
   Туризм

X-files

Наука и технологии

Техника и приборы

Косморитмодинамика

Новости

Фотоальбомы

Видеоальбомы

Карты (треки)

Прогноз погоды

Контакты

Форум

Ссылки, баннеры

 

Наш сайт доступен

на

52 языках

 

 
Если вам понравился сайт, то поделитесь со своими друзьями этой информацией в социальных сетях, просто нажав на кнопку вашей сети.
 
 
 
 
 
  Locations of visitors to this page
LightRay Рейтинг Сайтов YandeG Яндекс цитирования Яндекс.Метрика

 

Besucherzahler

dating websites

счетчик посещений

russian brides

contador de visitas

счетчик посещений

 

 

Здесь

может быть ваша реклама.

 

Наука и технологии

Виртуальный фонд естественнонаучных и научно-технических эффектов "Эффективная физика"
А  Б  В  Г  Д  Е  Ж  З  И  Й  К  Л  М  Н  О  П  Р  С  Т  У  Ф  Х  Ц  Ч  Ш  Щ  Ы  Э  Ю  Я   По связи разделов
Поляризация диэлектриков
Возникновение суммарного дипольного момента молекул, отличного от нуля, при внесении диэлектрика в электрическое поле

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 c 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 p 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 (l0). 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=8.85Ч10-12 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.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -10 до -3);

Время существования (log tc от 10 до 10);

Время деградации (log td от -10 до -3);

Время оптимального проявления (log tk от -8 до -5).

Диаграмма:

Технические 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).

Применение эффекта

Явление поляризации диэлектриков используется в конденсаторах, в радиочастотных кабелях, электрических линиях задержки. 

Литература

 1. Трофимова Т.И. Курс физики.- М.: Высшая школа, 1990.

 2. Савельев И.В. Курс общей физики.- М.: Наука, 1978.- Т.2.

Ключевые слова

  • диэлектрик
  • электрическое поле
  • диполь
  • дипольный момент
  • поляризованность (вектор поляризации) диэлектрика
  • полярные молекулы
  • неполярные молекулы
  • диэлектрическая восприимчивость
  • диэлектрическая проницаемость

Разделы естественных наук:

Электрическая поляризация вещества

Формализованное описание Показать