Диэлектрики в электрическом поле поляризация диэлектриков

Действие электрического поля на организм

Поляризацией вещества в электрическом поле называют явление, обусловленное упорядочением в этом веществе связанных электрических зарядов, которые ориентируются так, что образуемое ими дополнительное электрическое поле направлено в сторону, противоположную внешнему полю. Поляризация в диэлектриках связана с существованием в диэлектрике или образованием в нем под действием электрического поля электрических диполей, т. е. систем, состоящих из двух равных, но противоположных по знаку зарядов q, находящихся на расстоянии l друг от друга. Основная характеристика диполя – его дипольный момент р, т. е. вектор, численно равный произведению величины заряда на длину диполя (p = ql) и направленный от отрицательного заряда к положительному. Поляризация может быть вызвана несколькими качественно различными причинами.

Ориентационная поляризация. Молекулы некоторых диэлектриков обладают электрической асимметрией даже в отсутствие внешнего электрического поля. Таковы молекулы воды, солей, щелочей и кислот, спиртов, белков и других биополимеров. Вследствие беспорядочного теплового движения дипольные моменты таких молекул ориентированы хаотично и векторная сумма всех дипольных моментов в диэлектрике равна нулю (рис. а). Если поместить диэлектрик в электрическое поле с напряженностью E₀ то диполи будут поворачиваться, стремясь установиться вдоль вектора напряженности поля. Однако этому процессу препятствует тепловое движение. Под действием поля и теплового движения устанавливается равновесие, при котором полярные молекулы приобретают в среднем направленную ориентацию (рис. ). Весь же диэлектрик приобретает дипольный момент в направлении поля, что и означает его поляризацию. Для поворота дипольных молекул в направлении вектора напряженности требуется совершить работу, и поэтому часть энергии поля при поляризации теряется, а диэлектрик нагревается.

Степень поляризации диэлектрика характеризуют дипольным моментом единицы объема (или вектором поляризации среды) Р, который равен произведению дипольного момента каждой молекулы на число молекул N, содержащихся в единице объема

Установление поляризации при включении электрического поля и исчезновение поляризации при его выключении происходят по экспоненциальному закону

где Р_вкл и Р_выкл – соответственно дипольные моменты единицы объема при включении и выключении поля; Р_¥ – дипольный момент через бесконечно большое время после включения поля; t – время релаксации, т. е. время, в течение которого дипольный момент увеличивается или уменьшается в е раз. Процесс установления и исчезновения поляризации показан на рисунке. Время релаксации для ориентационной поляризации в различных диэлектриках находится в пределах от 10 –11 до 10 –12 с. Есть, однако, материалы, содержащие микронеоднородности, для которых время релаксации может достигать минут и даже часов.

Электронная поляризация. Отдельные атомы не обладают дипольными моментами. Отсутствуют они и у некоторых молекул, в которых заряды атомных электронов и ядер расположены так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов совпадают. Диэлектрик, образованный атомами или такими молекулами, называют нейтральным. Если атомы или нейтральные молекулы попадают в электрическое поле, то электронные оболочки смещаются в сторону, противоположную направлению вектора напряженности поля, электрическая симметрия нарушается и как сами молекулы, так и образованное ими тело приобретают дипольный момент. Этот процесс носит название электронной поляризации. В связи с ничтожно малой массой электрона время релаксации при этом гораздо меньше, чем при ориентационной поляризации (10 –16 –10 –14 с). Дипольный момент диэлектрика при электронной поляризации, как правило, невелик, и потерь энергии практически не происходит.

Ионная поляризация.Это процесс, происходящий в кристаллических диэлектриках с кубическими ионными решетками (NaCl, CsCl и др). Под действием электрического поля положительные ионы смещаются в направлении вектора напряженности, а отрицательные – в противоположную сторону. Время релаксации 10 – 13 –10 – 12 с.

Все виды поляризации приводят к тому, что на поверхности диэлектрика в электрическом поле появляются связанные электрические заряды, создающие дополнительное электрическое поле, напряженность которого Е_анаправлена противоположно вектору напряженности внешнего поля Е_о. В результате напряженность поля в диэлектрике равна Е = Е_о–Е_п. Степень уменьшения напряженности поля в диэлектрике по сравнению с напряженностью поля в вакууме определяется относительной диэлектрической проницаемостью вещества e = Е₀/Е_п. Величина e для газов близка к единице (от 1,0001 до 1,01), для неполярных жидкостей она находится в пределах от 2 до 2,5, для жидкостей с полярными молекулами – от 10 до 81 и для твердых диэлектриков– от 2 до 8. Существуют некоторые вещества (сегнетоэлектрики), для которых значения e достигают сотен и тысяч и, кроме того, меняются в зависимости от величины внешнего электрического поля. Для биологических тканей значения e в постоянном электрическом поле велики по причинам, которые будут указаны ниже.

Величина диэлектрической проницаемости зависит от температуры. На электронную поляризацию температура оказывает очень слабое влияние, но для полярных диэлектриков зависимость е от температуры довольно значительна. При низких температурах вязкость жидкого диэлектрика обычно велика, и полярные молекулы испытывают сопротивление при поворотах вдоль вектора напряженности поля. С увеличением температуры вязкость снижается, сопротивление среды повороту молекул уменьшается, и количество связанных зарядов на поверхностях диэлектрика возрастает, что ведет к увеличению диэлектрической проницаемости. При дальнейшем повышении температуры тепловое движение затрудняет ориентацию молекул и диэлектрическая проницаемость уменьшается.

Когда в диэлектрике происходят процессы поляризации, то через него в течение краткого времени после включения электрического поля проходит ток, поскольку при поляризации происходит смещение электрических зарядов. Ток, соответствующий электронной поляризации, I/_э существует очень малый промежуток времени, сравнимый со временем релаксации (

10 –15 с). Ориентационная поляризация протекает медленнее, и связанный с ней ток I_ор существует дольше. Кроме того, в каждом реальном диэлектрике имеется большее или меньшее число свободных электронов или ионов, которые под действием внешнего поля создают ток проводимости I_пр. Таким образом, в диэлектрике под действием внешнего поля протекает ток I = I_пр + I_oр + I_э . Если диэлектрик находится в постоянном электрическом поле, то токи I_э и I_oр быстро прекращаются и остается только ток I_пр, величина которого определяется количеством свободных электронов в диэлектрике.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Диэлектрик (изолятор) — вещество, среда, материал, практически не проводящие электрический ток. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10 8 см − 3 .

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

У одной группы диэлектриков, называемых неполярными, при отсутствии внешнего (основного) поля положительно и отрицательно заряженные частицы, входящие в молекулы (атомы), как бы уравновешивают друг друга (собственное поле отсутствует); молекулы их являются электрически нейтральными или неполярными (рис. 1, а). У таких диэлектриков под действием внешнего поля происходит смещение электрического центра отрицательных зарядов (электронов) навстречу направлению поля (рис. 1, б). С точки зрения электрических свойств такая молекула во внешнем поле может рассматриваться как диполь, т.е. пара разноименных точечных зарядов +q и -q (рис. 1,в), находящихся на небольшом расстоянии l друг от друга (плечо диполя). Заряды, образующие диполи диэлектрика, называют связанными, а произведение заряда q на плечо l называется электрическим моментом диполя:

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.

У каждой группы диэлектриков, называемых полярными, молекулы всегда полярны (электрические центры электронов и молекулах расположены несимметрично относительно ядер). Полярную молекулу можно считать диполем с зарядами +q и -q и моментом p = ql. При отсутствии внешнего поля все диполи расположены хаотически (рис. 3, а) и суммарный электрический момент диэлектрика равен нулю. При появлении внешнего поля его силы стремятся ориентировать диполи в направлении поля. В результате диполи несколько повернутся в направлении поля и диэлектрик приобретает электрический момент (рис. 3,6). Такая поляризация называется ориентационной.

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.

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.

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:

.