Виды диэлектриков полярные и неполярные

Читайте также:

1. Интегральные биполярные транзисторы (ИБТ).
2. Поляризация диэлектриков. Свободные и связанные заряды. Основные виды поляризации диэлектриков.
3. Полярные и неполярные молекулы
4. Пространственная конфигурация молекул. Полярные и неполярные молекулы
5. Характеристики, вводимые для описания электрического поля в присутствии диэлектриков

Электрическое поле в диэлектрике

9.13.1. Диэлектрик?

Заряды, входящие в состав молекул диэлектрика, прочно связаны друг с другом и под действием внешнего поля могут лишь немного смещаться в противоположные стороны.

Полярные – центры "+" заряда и центры "-" заряда смещены, например, в молекуле воды H₂O.
Модель полярного диэлектрика жесткий диполь:

Дипольный момент молекулы:

.

Неполярные диэлектрики – центры распределения "+" и "-" зарядов совпадают, молекула (атом) симметричны. Например, атом водорода. У него в отсутствии поля центр распределения отрицательного заряда совпадает с положением положительного заряда. При включении поля положительный заряд смещается в направлении поля, отрицательный – против поля:

Дипольный момент этого диполя пропорционален электрическому полю

.

9.13.2. Поляризованность диэлектрика (вектор поляризации) – это дипольный момент единицы объема:

.

– дипольный момент одной молекулы.
У диэлектриков любого типа

.

α – диэлектрическая восприимчивость (безразмерная величина).

9.13.3. Пластина диэлектрика в плоском конденсаторе
На следующих рисунках изображен плоский конденсатор без диэлектрика (рис. а) и с диэлектриком (рис. б). В конденсаторе без диэлектрика поле E₀ создается свободными зарядами, т. е. зарядами, находящимися на пластинах конденсатора. В конденсаторе с диэлектриком поле E в объеме, занятом диэлектриком, является разностью двух полей: поля свободных зарядов (E₀) и поля связанных зарядов (E’):

Поле в диэлектрике

.

Выразим σ’ через вектор поляризации (9.13.2)

.

– дипольный момент пластины диэлектрика, – объем пластины.
Тогда

.

С другой стороны (9.13.2),

.

,

откуда:
поле в однородном и изотропном диэлектрике

в 1 + α раз меньше, чем поле в вакууме Е₀.
Обозначим

В однородном изотропном диэлектрике, свойства которого не зависят от направления в пространстве (изотропность), электрическое поле ослабляется в ε раз:

.

Эта формула справедлива для аморфных, некристаллических диэлектриков. В кристаллах ситуация значительно сложнее.

9.13.4. Вектор электрического смещения
Для удобства описания поля в диэлектрике вводят вспомогательный вектор – вектор электрического смещения

.

Дата добавления: 2013-12-12 ; Просмотров: 474 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Различают два основных типа диэлектриков: полярный и неполярный.

Диэлектрик называют неполярным, если в его молекулах в отсутствие внешнего электрического поля центры тяжести отрицательных и положительных зарядов совпадают, например, Для них дипольный момент , т. к. . И, следовательно, суммарный дипольный момент неполярного диэлектрика .

В молекулах полярных диэлектриков ( , спирты, НС1. ) центры тяжести зарядов разных знаков сдвинуты друг относительно друга. В этом случае молекулы обладают собственным дипольным моментом . Но эти дипольные моменты в отсутствие внешнего электрического поля из-за теплового движения молекул ориентированы хаотически и суммарный дипольный момент такого диэлектрика равен нулю, т. е.

Для установления механизмов поляризации диэлектриков, что важно для правильного практического использования диэлектриков, необходимо, прежде всего, уяснить взаимосвязь способности веществ к поляризации с их химической природой. В связи с этим следует упомянут имена двух ученых – П.И.Вальдена и П.Дебая, в работах которых (1910 и 1912 гг.) впервые рассматривалось влияние химической природы вещества на процесс диэлектрической поляризации.

В настоящее время принято разделение линейных диэлектриков по механизмам поляризации молекул. Эта классификация исключительно важна при изучении как электрических, так и общих физико-химических свойств диэлектриков. Неполярные диэлектрики (нейтральные) – состоят из неполярных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают. Следовательно, неполярные молекулы не обладают электрическим моментом и их электрический момент равен нулю.

Примером практически неполярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных, являются углеводородные материалы, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистироли др. Но при замещении в неполярных полимерах некоторой части водородных атомов другими атомами или неуглеводородными радикалами получаются полярные вещества. При определении полярности вещества по химической формуле следует учитывать пространственное строение молекул. Значения дипольных моментов некоторых полярных веществ (по Б.М.Тарееву) приведены таблице.

Полярные диэлектрики (дипольные) – состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

К полярным диэлектрикам относятся фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы,кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др.

Дата добавления: 2016-11-24 ; просмотров: 6389 | Нарушение авторских прав

Все диэлектрики по виду подразделяются на несколько групп.

неполярные и слабополярные твердые вещества в кристаллическом и аморфном состоянии

полярные (дипольные) органические, полужидкие и твердые вещества

Твердые неорганические диэлектрики

кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов

неорганические стекла, материалы, содержащие стекловидную фазу, кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой ионов

парафин, сера, неполярные и слабополярные жидкости и газы

масляно-канифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза

кварц, слюда, каменная соль

сегнетова соль титан бария

Зависимость диэлектрической проницаемости от различных факторов

Согласно ранее рассмотренной формулы для поляризуемости диэлектрика, диэлектрическая проницаемость зависит от концентрации молекул n диэлектрика и поляризуемостикаждой молекулы. В свою очередь n изависят от природы диэлектрика и его температуры, аеще и от частоты приложенного напряжения.

Газообразные диэлектрики

Имея низкую молекулярную плотность (малую величину n), большинство газообразных диэлектриков обладает только электронной поляризацией. Поэтому, у газов, образующих воздух, и у самого воздуха диэлектрическая проницаемость является величиной, примерно равной единице (), и не ни зависит от температуры, ни от частоты приложенного напряжения во всем диапазоне частот, включая оптические, так как от температуры и частоты не зависит электронная поляризуемость.

Воздух как естественная изоляция присутствует во всех электроустановках. Диэлектрическая проницаемость воздуха при нормальных условиях равна 1,00059. С увеличением относительной влажности воздуха диэлектрическая проницаемость возрастает: если при 20 о С и, то при 20 о С и.

Диэлектрическая проницаемость жидких диэлектрикjd

Жидкие диэлектрики могут быть построены из полярных молекул или неполярных.

Значение диэлектрической проницаемости неполярных жидкостей невелики и близки к показателю преломления света.

Зависимость диэлектрической проницаемости неполярной жидкости от температуры связана с уменьшением числа молекул в единице объема, поскольку веществауменьшается с повышением температурыв связи степловым расширением диэлектрикаи уменьшением числа частиц в единицу объема. В области температур плавленияскачкообразно снижается.

Значения n и от частоты напряжения не зависят, поэтому и диэлектрическая проницаемостьнеполярных диэлектриков не зависит от частоты во всем диапазоне, включая оптические частоты.

Значение неполярных жидкостей обычно не превышает 2,5.

Диэлектрическая проницаемость для неполярных и слабополярных жидкостей

Поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется одновременно электронной и дипольной поляризацями. Такие жидкости обладают тем большей диэлектрической проницаемостью, чем больше электрический момент диполей и число молекул в единице объема.

Температурная зависимость диэлектрической проницаемости полярных жидкостей более сложная, чем неполярных. Объяснение хода кривых легко дать на основе рассмотрения механизма дипольной поляризации:

Рисунок 1.3. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для полярной жидкости – совола 1 – 2 –3 –

с повышением температуры в результате ослабления межмолекулярных связей увеличивается ориентация диполей в направлении электрического поля, поэтому дипольно-релаксационная поляризуемость возрастает, однако с повышением температуры возрастает и интенсивность хаотического теплового движения диполей, и выше некоторой температуры Т_Мдезориентирующее действие теплового движения начинает преобладать над ориентирующим действием электрического поля.

Значительное влияние на дипольной жидкости оказывает частота. На высоких частотах диполи не успевают ориентироваться вслед за изменением направления электрического поля, поэтому ДРП на частотах 10 6 -10 10 Гц и выше практически не происходит, и остается только электронная поляризация. Диэлектрическая проницаемость на этих частотах снижается и становится примерно такой же, как у неполярных диэлектриков (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4. Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты

Диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей, использующихся в качестве технических диэлектриков, изменяется в пределах 3,5 – 5, т.е. заметно повышена по сравнению с неполярных жидкостей.