Поляризация полярных и неполярных диэлектриков кратко
Обновлено: 05.07.2024
1) В неполярных диэлектриках при отсутствии электрического поля центры положительного и отрицательного зарядов совпадают. При наложении электрического поля эти центры смещаются в противоположные стороны и молекула превращается в диполь. Все образовавшиеся диполи ориентированы одинаково = вдоль вектора напряженности электрического поля.
2) У полярных диэлектриков молекулы уже диполи. Но из-за теплового движения молекул их дипольные моменты ориентированы хаотически, поэтому суммарный дипольный момент равен нулю. При наложении электрического поля возникает момент сил, который стремится повернуть (ориентировать) диполи по направлению вектора напряженности. Так как тепловое движение продолжает препятствовать ориентации молекул, то В СРЕДНЕМ, каждый дипольный момент поворачивается на небольшой угол к вектору напряженности, в результате появляется суммарный дипольный момент, совпадающий по направлению с вектором напряженности электрического поля.
Рискну предположить, что в случае с полярными поляризация лишь несколько изменяет потенциал, а с неполярными может его даже знаком варировать.
Диэлектрики (или изоляторы ) — вещества, относительно плохо проводящие электрический ток (по сравнению с проводниками ).
Диэлектрики (или изоляторы) — вещества, относительно плохо проводящие электрический ток (по сравнению с проводниками).
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.
Поляризация полярных диэлектриков .
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.
Поляризация неполярных диэлектриков .
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:
.
Любое вещество, вне зависимости от его агрегатного состояния и деталей его атомно-молекулярного устройства, например, атомный, молекулярный или ионный кристалл и т. п., в конечном счете, состоит из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.
Поэтому механизм поляризации один — это смещение положительных зарядов по поляризующему полю и отрицательных зарядов против поляризующего поля (рис. 3.14). Здесь уместно подчеркнуть, что вещество поляризуется не внешним полем (см., например (3.2) выше), а суммарным полем , созданным как сторонними (не принадлежащими диэлектрику) зарядами, так и самим поляризованным веществом. В дальнейшем мы не будет специально это подчеркивать.
Рис. 3.14. Смещение положительных зарядов по поляризующему полю
и отрицательных зарядов против поляризующего поля
Электронная — смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до с). Потери энергии отсутствуют.
Ионная — смещение узлов кристаллической структуры под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки. Время протекания с, без потерь.
Дипольная (ориентационная) — связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле. Протекает с потерями энергии на преодоление сил связи и внутреннего трения.
и многие другие.
Несколько слов по поводу упомянутой выше ионной поляризации, которая имеет место в кристаллах типа поваренной соли NaCl. Под действием поля положительно заряженные ионы натрия Na + и отрицательно заряженные ионы хлора Cl – смещаются в разные стороны из своих равновесных положений, из-за чего каждая элементарная ячейка кристалла приобретает электрический дипольный момент. Этот пример полезен в следующем смысле: как бы сложно ни был устроен диэлектрик — в данном случае ионный кристалл — его поляризация обусловлена смещением в противоположные стороны положительных и отрицательных зарядов. Вопрос в том, какие конкретно носители заряда способны к такому перемещению: свободные электроны в металле, сильно связанные с ядрами электроны электронной оболочки нейтральных атомов или молекул в газе или жидкости, ионы в узлах кристаллической решетки и так далее. Определяется это тем, как устроен диэлектрик.
Процессы, происходящие в диэлектрике при его поляризации, можно понять, исходя из представлений о диэлектрике как о среде, состоящей из попарно связанных разноименных зарядов. В отличие от проводников в диэлектриках нет свободных зарядов, которые под действием внешнего поля могут двигаться по всему объему образца. Заряды, входящие в состав молекул диэлектрика, прочно связаны между собой и способны перемещаться только в пределах своей молекулы (или атома), то есть на расстоянии порядка см.
Неполярные атомы и молекулы — не имеющие собственного дипольного момента, то есть их собственный дипольный момент в отсутствие поляризующего поля равен нулю: . Это атомы благородных газов и симметричные молекулы с ковалентной связью типа . Существуют и многоатомные неполярные молекулы. Диэлектрики, состоящие из таких частиц, принято называть неполярными диэлектриками (рис. 3.15);
Рис. 3.15. Поляризация неполярного диэлектрика
Полярные атомы и молекулы — имеющие отличный от нуля собственный дипольный момент . Это несимметричные молекулы с ковалентной связью типа , а также молекулы с ионной связью типа . Отметим, что у молекул с ионной связью во много раз больше, чем у молекул с ковалентной связью. Диэлектрики, состоящие из таких частиц, принято называть полярными диэлектриками (рис. 3.16);
Рис. 3.16. Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика
Электростатическое поле - эл. поле, образованное неподвижными электрическими зарядами.
Свободные электроны – электроны, способные свободно перемещаться внутри проводника (в основном в металлах) под действием эл. поля.
Свободные электроны возникают при образовании металлов: электроны с внешних оболочек атомов утрачивают связи с ядрами и начинают принадлежать всему проводнику:
- участвуют в тепловом движении и могут свободно перемещаться по всему проводнику.
Электростатическое поле внутри проводника
- внутри проводника электростатического поля нет (Е = 0), что справедливо для заряженного проводника и для незаряженного проводника, внесенного во внешнее электростатическое поле.
Почему? - т.к. существует явление электростатической индукции, т.е.
явление разделения зарядов в проводнике, внесенном в электростатическое поле, (Е – внешн.) с образованием нового электростатического поля (Е - внутр.) внутри проводника.
Внутри проводника, оба поля (Е – внешн. и Е - внутр.) компенсируют друг друга, тогда внутри проводника
Заряды можно разделить:
Электростатическая защита
- металл. экран внутри которого, Е = 0, т.к. весь заряд будет сосредоточен на поверхности проводника.
Электрический заряд проводников
- весь статический заряд проводника расположен на его поверхности внутри проводника q = 0;
- справедливо для заряженных и незаряженных проводников в эл. поле.
Линии напряженности эл. поля в любой точке поверхности проводника перпендикулярны этой поверхности.
ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Внутри диэлектрика может существовать электрическое поле!
Электрические свойства нейтральных атомов и молекул:
Нейтральный атом - положительный заряд (ядро) сосредоточен в центре;
- отрицательный заряд - электронная оболочка;
считается, что из-за большой скорости движения электронов по орбитам центр распределения отрицательного заряда совпадает с центром атома.
Молекула - чаще всего - это система ионов с зарядами противоположных знаков,
т.к. внешние электроны слабо связаны с ядрами и могут переходить к другим атомам.
Электрический диполь- молекула в целом нейтральная, но центры распределения
противоположных по знаку зарядов разнесены; рассматривается как совокупность двух точечных зарядов равных по модулю и противоположных по знаку,
находящихся внутри молекулы, на некотором расстоянии друг от друга.
Существуют 2 вида диэлектриков (различаются строением молекул):
1) полярные – молекулы, у которых центры положительного и отрицательного зарядов
не совпадают (спирт, вода и др.);
2) неполярные- атомы и молекулы, у которых центры распределения зарядов совпадают (инертные газы, кислород, водород, полиэтилен и др.).
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
- смещение положительного и отрицательного зарядов в противоположные стороны, т.е. ориентация молекул.
Поляризация полярных диэлектриков
Диэлектрик вне эл. поля - в результате теплового движения электрические диполи ориентированы беспорядочно на поверхности и внутри диэлектрика.
q = 0 и E – внутр. = 0
Диэлектрик в однородном эл. поле - на диполи действуют силы, создают моменты сил и поворачивают диполи вдоль силовых линий эл. поля.
НО ориентация диполей - только частичная, т.к. мешает тепловое движение.
На поверхности диэлектрика возникают связанные заряды, а внутри диэлектрика заряды диполей компенсируют друг друга.
Таким образом, средний связанный заряд диэлектрика = 0.
Поляризация неполярных диэлектриков - тоже поляризуются в эл. поле: положительные и отрицательные заряды молекул смещаются, а
центры распределения зарядов, перестают совпадать (как диполи) на поверхности диэлектрика возникает связанный заряд, а внутри эл. поле лишь ослабляется.
Ослабление поля зависит от свойств диэлектрика.
Электростатическая защита — помещение приборов чувствительных к электрическому полю, внутрь замкнутой проводящей оболочки для экранирования от внешнего электрического поля.
Это явление связано с тем, что на поверхности проводника, (заряженного или незаряженного) помещённого во внешнее электрическое поле, заряды перераспределяются так (явление электрической индукции), что создаваемое ими внутри проводника поле полностью компенсирует внешнее.
Методы исследования в анатомии и физиологии: Гиппократ около 460- около 370гг. до н.э. ученый изучал.
Читайте также: