December 10 2016 12:43:46
School Nogma
Навигация
 
Авторизация
Логин

Пароль



Вы не зарегистрированы?
Нажмите здесь для регистрации .

Забыли пароль?
Запросите новый здесь.
 
Типы диэлектриков Поляризуемость и вектор поляризации
Электродинамика

Главное отличие диэлектриков от проводников состоит в том, что в диэлектриках отсутствуют свободные носители заряда. Заряженные частицы входят в состав атомов и молекул диэлектриков, но они не могут свободно перемещаться в межмолекулярном пространстве, что доступно, например, свободным электронам в металлических проводниках. Смещение зарядов в молекулах диэлектрика ограничено атомными масштабами.

Различают три типа диэлектриков: неполярные, полярные и ионные.

К неполярным диэлектрикам (N2, H2, O2, CO2 и пр.) относятся вещества, молекулы которых имеют симметричное строение. В отсутствие внешнего электрического поля центры положительного и отрицательного зарядов таких молекул совпадают. Другими словами, их дипольный момент img0226 равен нулю.

Молекулы диэлектриков второй группы — полярных — имеют асимметричное строение (H2O, CO, SO2 и пр.). Такие молекулы и в отсутствие внешнего электрического поля имеют изначальный дипольный момент, отличный от нуля. Полярные молекулы принято условно изображать в виде гантельки (рис. 5.1.).


Рис. 5.1.

Кристаллическую структуру ионных диэлектриков (NaCl, KCl, KBr и др.) можно рассматривать как систему двух ионных решёток, вдвинутых одна в другую.

Теперь посмотрим, что будет происходить с молекулами диэлектриков в электрическом поле.

а) Неполярные диэлектрики

В диэлектрическом поле на положительные и отрицательные заряды молекул будут действовать равные и противоположные силы, растягивающие молекулу (рис. 5.2.). Действие этих сил приводит к деформации молекул и к возникновению у них дипольного момента: img0227. Величина этого момента, как показывает опыт, пропорциональна напряжённости поля img0228, поэтому такие молекулы называют ещё упругими диполями.


Рис. 5.2.

б) Полярные диэлектрики

Полярные молекулы не меняют величину своего дипольного момента под действием электрического поля. В отличие от неполярных молекул, они ведут себя как жёсткие диполи.

В электрическом поле на такую жесткую молекулу действует вращающий момент, стремящийся ориентировать дипольные моменты молекул вдоль поля (рис. 5.3.).



Рис. 5.3.

в) Ионные диэлектрики

В электрическом поле положительные и отрицательные подрешётки ионной структуры смещаются друг относительно друга, и при этом возникает дипольный момент.

Все эти явления, происходящие в диэлектриках в присутствии электрического поля, называются поляризацией. В первом случае это была деформационная поляризация, во втором — ориентационная, в третьем — ионная.

Обратимся к количественной мере этих процессов. Для определённости рассмотрим подробнее ориентационную поляризацию полярного диэлектрика.

Молекулы такого вещества имеют дипольные моменты. Но в отсутствие электрического поля в однородном диэлектрике нет какого-либо преимущественного направления, и тепловое движение хаотически перемешивает дипольные моменты молекул таким образом, что суммарный момент молекул единицы объёма вещества равен нулю.

В электрическом поле на молекулы действуют вращающие моменты, стремящиеся ориентировать диполи вдоль поля. На границах диэлектрика при этом возникают «связанные» заряды с поверхностной плотностью +s’ и –s’ (рис. 5.4.).


Рис. 5.4.

Степень поляризации диэлектрика в электрическом поле характеризуется вектором поляризации img0229, равным векторной сумме дипольных моментов всех молекул единицы объёма вещества (теперь эта сумма не равна нулю):

                         img0230.                       (5.1)

Опыт показывает, что вектор поляризации диэлектрика пропорционален напряжённости поля img0231:

                         img0232.                       (5.2)

Здесь:    c — диэлектрическая восприимчивость вещества;

     e0 — знакомая нам электрическая постоянная.

В случае неполярного диэлектрика дипольный момент отдельной молекулы, как уже упоминалось, пропорционален напряжённости электрического поля:

                         img0233.                       (5.3)

Здесь b — поляризуемость молекулы.

Тогда суммарный дипольный момент всех молекул в объёме DV будет равен:

img0234.

Вектор поляризации (поляризованность) в этом случае, как и в случае полярного диэлектрика, оказывается пропорциональным напряжённости поля:

               img0235.                  (5.4)

Здесь диэлектрическая восприимчивость c равна произведению числа молекул в единице объёма (n) и коэффициента поляризуемости (b):

                         c = n × b.                         (5.5)

Покажем, что вектор поляризации img0236 определяется величиной связанного заряда s’.

Рассмотрим однородно поляризованный диэлектрик, выполненный в виде наклонной призмы с основанием S и ребром L, параллельным вектору поляризации img0237 (рис. 5.5).


Рис. 5.5.

Электрический момент призмы равен q’ × L = s’ × S × L. Здесь q’ и s’ — связанный заряд и плотность связанного заряда на основании призмы.

Учитывая, что объём призмы равен V = S × L × cosa, этот же электрический момент представим в виде:

s’ × SL = P × V = P × SLcosa = Pn × SL.

Отсюда легко получить искомое соотношение:

                         s’ = Pn.                      (5.6)

Этот результат позволяет сделать следующие заключения:

1. поверхностная плотность связанных зарядов равна нормальной составляющей вектора поляризации;

2. заряд, прошедший в процессе поляризации через единичную поверхность, нормальную к направлению смещения зарядов, равен модулю вектора поляризации.

Комментарии
Нет комментариев.
Добавить комментарий
Пожалуйста, залогиньтесь для добавления комментария.
Рейтинги
Рейтинг доступен только для пользователей.

Пожалуйста, авторизуйтесьили зарегистрируйтесь для голосования.

Нет данных для оценки.

Время загрузки: 0.09 секунд 4,205,011 уникальных посетителей