Величина поляризованности в диэлектрике

Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков. Поляризованность.

Диэлектриками называются вещества, которые в обычных условиях практически не проводят электрический ток, их удельное сопротивление в раз больше, чем у металлов. Согласно представлениям классической физики, в диэлектриках, в отличие от проводников, нет свободных носителей заряда, которые могли бы под действием электрического поля создавать ток проводимости. К диэлектрикам относятся все газы; некоторые жидкости (дистиллированная вода, масла, бензол); твердые тела (стекло, фарфор, слюда). Термины "диэлектрик" и "диэлектрическая постоянная" были введены в науку в 1837 г. M. Фарадеем. Диэлектрики, как и любые вещества, состоят из атомов и молекул. В целом молекулы нейтральны, тем не менее, они взаимодействуют с электрическим полем. Например, в случае, когда симметрия молекулы отлична от сферической, ее можно представить в виде электрического диполя. Электрический дипольный момент молекулы , где q – суммарный заряд ядер или электронов; l – вектор, представляющий собой плечо эквивалентного диполя. Молекулы, обладающие электрическим дипольным моментом, называют полярными. Полярным диэлектриком является вода; следующие вещества: CO; N₂O; S₂O; NH; HCl также имеют в своем составе полярные молекулы. В объеме вещества дипольные моменты молекул распределены по разным направлениям хаотическим образом, так что их сумма равна нулю . Молекулы, у которых положения эквивалентного положительного и эквивалентного отрицательного заряда совпадают и, следовательно, дипольный момент каждой молекулы равен нулю ( ), называют неполярными. Такие вещества, как состоят из неполярных молекул. Если диэлектрик внести в электрическое поле, то это поле и сам диэлектрик претерпевают существенные изменения.

Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.

Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации. Физический смысл вектора электрической поляризации — это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.

Вектор поляризации применим для описания макроскопического состояния поляризации не только обычных диэлектриков, но и сегнетоэлектриков, и, в принципе, любых сред, обладающих сходными свойствами. Он применим не только для описания индуцированной поляризации, но и спонтанной поляризации (у сегнетоэлектриков).

Поляризация — состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.

Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.

Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри однородного диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле с напряженностью Е₁, направленное против внешнего поля с напряженностью Е₀. Результирующая напряженность поля Е внутри диэлектрика Е=Е₀-Е₁.

Если поместить диэлектрик во внешнее электрическое поле, то он поляризуется, т. е. получит неравный нулю дипольный момент p_V=∑p_iгде p_i — дипольный момент одной молекулы. Чтобы произвести количественное описание поляризации диэлектрика вводят векторную величину — поляризованность, которая определяется как дипольный момент единицы объема диэлектрика: (1) Из опыта известно, что для большого класса диэлектриков (за исключением сегнетоэлектриков, см. далее) поляризованность Р зависит от напряженности поля Е линейно . Если диэлектрик изотропный и Е численно не слишком велико, то (2) где θ — диэлектрическая восприимчивость вещества, она характеризует свойства диэлектрика; θ – безразмерная величина; притом всегда θ>0 и для большинства диэлектриков (жидких и твердых) составляет несколько единиц (но, например, для спирта θ≈25, для воды θ≈80). Для определения количественных закономерностей электрического поля в диэлектрике поместим в однородное внешнее электрическое поле Е₀ (к примеру, между двумя бесконечными параллельными разноименно заряженными плоскостями) пластинку из однородного диэлектрика, расположив ее, согласно рис. 1. Под действием поля диэлектрик поляризуется, т. е. осуществляется смещение зарядов: положительные смещаются по направлению поля, отрицательные — против направления поля. В результате, на правой грани диэлектрика, который обращен к отрицательной плоскости, будет избыток положительного заряда с поверхностной плотностью +σ’, на левой грани — отрицательного заряда с поверхностной плотностью –σ’. Эти нескомпенсированные заряды, которые появляются в результате поляризации диэлектрика, называются связанными. Поскольку их поверхностная плотность σ’ меньше плотности σ свободных зарядов плоскостей, то не все поле Е компенсируется полем зарядов диэлектрика: часть линий напряженности проходит сквозь диэлектрик, другая же часть — останавливается на связанных зарядах. Значит, поляризация диэлектрика вызывает уменьшение в нем поля по сравнению с первоначальным внешним полем. Вне диэлектрика Е = Е₀.

Обычно в отсутствие внешнего электрического поля дипольные моменты молекул диэлектрика либо равны нулю (неполярные молекулы), либо распределены по направлениям в пространстве хаотическим образом (полярные молекулы). В обоих случаях суммарный дипольный момент диэлектрика равен нулю.

Под действием внешнего поля диэлектрик поляризуется. Это означает, что результирующий дипольный момет диэлектрика становится отличным от нуля. В качестве величины, характеризующей степень поляризации диэлектрика, естественно взять дипольный момент единицы объема. Если поле или диэлектрик (или оба они) неоднородны, степень поляризации в разных точках диэлектрика будет различна. Чтобы охарактеризовать поляризацию в данной точке, нужно выделить заключающий в себе эту точку физически бесконечно малый объем ДУ, найти сумму 2 P моментов заключенных в этом объеме молекул и взять отношение

Векторная величина Р, определяемая формулой (16.1), называется поляризованностью диэлектрика.

Дипольный момент имеет размерность Следовательно, размерность Р равна , т. е. совпадает с размерностью (см. формулу (5.3)).

У изотропных диэлектриков любого типа поляризованность связана с напряженностью поля в той же точке простым соотношением:

где — не зависящая от Е величина, называемая диэлектрической восприимчивостью диэлектрика.

Выше было указано, что размерности Р и одинаковы. Следовательно, — безразмерная величина.

В гауссовой системе формула (16.2) имеет вид

Для диэлектриков, построенных из неполярных молекул, формула (16.2) вытекает из следующих простых соображений. В пределы объема ДУ попадает количество молекул, равное где — число молекул в единице объема. Каждый из моментов определяется в этом случае формулой (15.3). Следовательно,

Разделив это выражение на , получим поляризованность Наконец, введя обозначение придем к формуле (16.2).

В случае диэлектриков, построенных из полярных молекул, ориентирующему действию внешнего поля противится тепловое движение молекул, стремящееся разбросать их дипольные моменты по всем направлениям. В результате устанавливается некоторая преимущественная ориентация дипольных моментов молекул в направлении поля. Соответствующий статистический расчет показывает в согласии с опытом, что поляризованность пропорциональна напряженности поля, т. е. приводит к формуле (16.2). Диэлектрическая восприимчивость таких диэлектриков обратно пропорциональна абсолютной температуре.

В ионных кристаллах отдельные молекулы утрачивают свою обособленность. Весь кристалл представляет собой как бы одну гигантскую молекулу. Решетку ионного кристалла можно рассматривать как две вставленные друг в друга решетки, одна из которых образована положительными, а другая отрицательными ионами. При действии на ионы кристалла внешнего поля обе решетки сдвигаются друг относительно друга, что приводит к поляризации диэлектрика. Поляризованность и в этом случае связана с напряженностью поля соотношением (16.2).

Отметим, что описываемая формулой (16.2) линейная зависимость между Е и Р имеет место лишь в не слишком сильных полях (аналогичное замечание относится и к формуле (15.3)).

СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ

ДИЭЛЕКТРИКИ.

Диэлектрики – вещества, обладающие малой электропроводностью, т.к. у них очень мало свободных заряженных частиц – электронов и ионов. Эти частицы появляются в диэлектриках только при нагреве до высоких температур. Существуют диэлектрики газообразные (газы, воздух), жидкие (масла, жидкие органические вещества) и твердые (парафин, полиэтилен, слюда, керамика и т.п.).

При наложении электрического напряжения в диэлектрике, представляющем сложную электрическую систему, протекают разнообразные электрические процессы, связанные с его поляризацией, электрической проводимостью. В случае очень большого напряжения может произойти разрушение диэлектрика, называемое пробоем.

Одним из важнейших свойств диэлектриков является их способность поляризоваться под воздействием внешнего электрического поля. Согласно современным представлениям явление поляризации сводится к изменению положения в пространстве частиц диэлектрика, имеющих электрический заряд того или иного знака, в результате чего каждый макроскопический объем диэлектрика приобретает некоторый наведенный (индуцированный) электрический момент, которым этот объем диэлектрика до воздействия внешнего электрического поля не обладал.

Поляризация сопровождается появлением на поверхности диэлектриков связанных электрических зарядов, уменьшающих напряженность поля внутри вещества.

Количественной характеристикой поляризации служит поляризованность диэлектрика P .

Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε.

При отсутствии внешнего электрического поля каждый элемент объема диэлектрика не имеет электрического момента, так как алгебраическая сумма зарядов всех молекул диэлектрика в данном объеме равна нулю и центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают в пространстве. При этом предполагается, что этот элемент объема весьма велик по сравнению с размерами молекулы, так что в нем содержится весьма большое число молекул. Под действием внешнего электрического поля происходит некоторое упорядочение расположения в пространстве молекул диэлектрика, как это схематически представлено на рис.

Расположение зарядов в полностью поляризованном диэлектрике плоского конденсатора

Необходимо отметить две группы поляризации:

– упругая поляризация, протекающая практически мгновенно под действием электрического поля, не сопровождающаяся рассеянием (потерями) энергии в диэлектрике (выделением теплоты);

– релаксационная поляризация, нарастающая и убывающая в течение некоторого промежутка времени и сопровождающаяся рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием

1) Электронная поляризация

При подаче напряжения в диэлектрике создается электрическое поле, и электроны в атомах смещаются относительно ядра к положительному электроду.

Смещенные электроны с положительными зарядами ядер атомов образуют пары связанных друг с другом электрических зарядов, которые называются упругими диполями. Образование их происходит мгновенно (10 -15 с). Они исчезают, если с диэлектрика снято напряжение. Этот процесс образования упругих диполей называется электронной поляризацией.

Величина e зависит от концентрации атомов (молекул) в диэлектрике и их структуры, определяющей поляризуемость α_э атома (молекулы), и описывается выражением:

где ε – диэлектрическая проницаемость; n – концентрация частиц (атомов, молекул) в диэлектрике; α_э – электронная поляризуемость, определяемая структурой молекулы или атома.

Если диэлектрик кристалл, то у него ε больше, чем у аморфного диэлектрика, т.к. плотность упаковки атомов и молекул больше в кристаллическом состоянии.

Диэлектрическая проницаемость вещества с чисто электронной поляризацией численно равна квадрату показателя преломления света n.

Хотя деформация электронных орбит не зависит от температуры, электронная поляризация, а, следовательно, диэлектрическая проницаемость ε с увеличением температуры диэлектрика уменьшается, т.к. увеличивается его объем и уменьшается число частиц в единице объема.

2) Ионная поляризация (или поляризация ионного смещения).

Поляризация обусловлена смещением упруго связанных ионов. Характерна для твердых тел с ионным строением, т.е. для кристаллических диэлектриков. Всякий ионный кристалл состоит из положительных и отрицательных ионов, расположенных в узлах кристаллической решетки. При наложении напряжения в нем начинают действовать электрические силы, и ионы смещаются: положительные – в одном направлении, отрицательные – в противоположном. Каждая пара ионов образует упругий диполь. Время установления ионной поляризации 10 -13 с. Наряду с процессом поляризационного смещения протекает электронная поляризация. Интенсивность этих процессов у кристаллических диэлектриков велика, поэтому больше ε = 7 ÷ 12 и выше.

Электронная и ионная поляризации относятся к упругой поляризации. Остальные, рассматриваемые далее, являются различными проявлениями релаксационной поляризации.

Под действием поля ориентируются и радикалы (группы атомов) – это дипольно – радикальная поляризация.

С увеличением температуры вязкость среды уменьшается, и дипольная поляризация возрастает, пока велика вязкость. Но постепенно нарастает хаотичность теплового движения и становится преобладающей над ориентацией диполей, т.е. дипольная ориентация с ростом температуры начинает падать.

Эта поляризация свойственна газам и жидкостям, а также твердым полярным органическим веществам, имеющим в составе радикалы. Совершается за время 10 -2 с. После снятия поля ориентация ослабевает (происходит релаксация).

4) Электронно– релаксационная поляризация.

Поляризация возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов или дырок. Характерна для диэлектриков с высоким показателем преломления и электронной электропроводностью, а также полупроводников.

5) Упруго – дипольная поляризация

Поляризация наблюдается у дипольных молекул некоторых кристаллов, закрепленных и только ограниченно поворачивающихся на небольшой угол.

6) Междуслойнаяполяризация

Поляризация обусловлена проводящими и полупроводящими включениями и наличием слоев с различной проводимостью. Поляризация проявляется в твердых телах неоднородной структуры (слоистые пластики) в области низких частот, и связана со значительными потерями электрической энергии.

7) Самопроизвольная (спонтанная) поляризация

Поляризация характерна для сегнетоэлектриков, веществ, разбивающихся на области (домены), обладающие спонтанным дипольным моментом в отсутствие внешнего поля. Взаимная ориентация дипольных моментов доменов в отсутствие поля такова, что суммарный дипольный момент вещества равен нулю. Наложение поля ориентирует дипольные моменты доменов, что вызывает очень сильную поляризацию.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Студент – человек, постоянно откладывающий неизбежность. 10611 – | 7337 – или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно