Полярные и неполярные диэлектрики

Согласно воззрениям классической физики диэлектрики коренным образом отличаются от проводников тем, что в обычных условиях свободные электрические заряды в них отсутствуют. Суммарный заряд частиц, образующих молекулы диэлектриков, равен нулю. Однако это вовсе не означает, что молекулы данных веществ не способны проявлять электрических свойств.

Все известные линейные диэлектрики можно разделить на две большие группы: полярные диэлектрики и неполярные диэлектрики. Данное разделение вводится в силу различий в механизмах поляризации молекул каждого типа диэлектриков. На самом деле механизм поляризации оказывается исключительно важным аспектом в изучении как физических и химических свойств диэлектриков, так и в изучении их электрических свойств.

Неполярные диэлектрики называются еще нейтральными диэлектриками, потому что молекулы, из которых данные диэлектрики состоят, отличаются совпадением центров тяжести отрицательного и положительного зарядов внутри них. В результате получается, что молекулы неполярных диэлектриков не имеют собственного электрического момента, он равен нулю. И при отсутствии внешнего электрического поля положительные и отрицательные заряды молекул таких веществ расположены симметрично.

Если же внешнее электрическое поле к неполярному диэлектрику приложить, то положительные и отрицательные заряды в молекулах сместятся от исходного положения равновесия, молекулы превратятся в диполи, электрические моменты которых окажутся теперь пропорциональны напряженности приложенного к ним электрического поля, и будут направлены параллельно полю.

Неполярные диэлектрики благодаря низким значениям тангенса угла диэлектрических потерь находят широкое применение в качестве высокочастотных диэлектриков в конденсаторах, таких как К78-2.

У полярных диэлектриков, которые называются также дипольными диэлектриками, молекулы обладают собственным электрическим моментом, то есть молекулы их полярны. Причина в том, что у полярных диэлектриков молекулы имеют асимметричное строение, поэтому центры масс отрицательных и положительных зарядов в молекулах таких диэлектриков не совпадают.

Если в неполярном полимере некоторые из атомов водорода заменить на атомы других элементов или на не углеводородные радикалы, то получится как раз полярный (дипольный) диэлектрик, поскольку симметрия в результате такой замены нарушится. Определяя по химической формуле полярность вещества, исследователю следует, конечно, иметь представление о пространственном строении его молекул.

Когда внешнее электрическое поле отсутствует, оси молекулярных диполей из-за теплового движения ориентированы хаотично, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе его объема электрический заряд в среднем равен нулю. Однако при внесении диэлектрика во внешнее поле возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле направленное навстречу внешнему полю.

В качестве примеров полярных диэлектриков, можно назвать следующие: хлорированные углеводороды, эпоксидные и фенол-формальдегидные смолы, кремнийорганические соединения и т. д. Молекулы воды и спирта, например, также являются яркими примерами полярных молекул. Полярные диэлектрики находят широкое применение в различных областях техники, таких как пьезо- и сегнетоэлектричество, оптика, нелинейная оптика, электроника, акустика и др.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник

Диэлектрики в электрическом поле.

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.

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.

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:

.

Источник

Какие диэлектрики называют полярными а какие неполярными

4.1.1 Полярные и неполярные диэлектрики

В зависимости от пространственного расположения положительного и отрицательного зарядов в молекуле все диэлектрики делятся на полярные, т.е. содержащие постоянные диполи, способные к переориентации, и неполярные, не содержащие ориентирующихся диполей.

В молекулах любого вещества содержатся положительные и отрицательные электрические заряды. Алгебраическая сумма всех зарядов равна нулю, когда вещество не наэлектризовано, т.е. электрически оно нейтрально. Однако пространственное расположение зарядов в молекуле у каждого вещества различно. Если заменить все положительные заряды молекулы одним суммарным зарядом и считать, что он расположен в общем для них условном центре, и такое же суммирование провести для отрицательных зарядов, то эти суммарные условные точечные заряды могут либо не совпадать в пространстве друг с другом, либо совпадать.

В первом случае молекула, даже в отсутствие внешнего электрического поля, будет представлять собой электрический диполь с отличным от нуля постоянным электрическим моментом Р_П
(рисунок 4.2, а):

(4.22)

где q – суммарный положительный (или численно равный ему суммарный отрицательный) заряд;

l – расстояние между суммарными зарядами, т.н. плечо диполя.

а)

б)

в)

Рисунок 4.2 – Полярные (а, в) и неполярная (б) молекулы

В неполярных диэлектриках условные суммарные положительные и отрицательные заряды совпадают в пространстве (рисунок 4.2, б), плечо диполя у них равно нулю и поэтому Р_П = 0. Таким образом, все молекулы, имеющие симметричное строение и центр симметрии, будут неполярны, т.к. условные центры положительных и отрицательных зарядов будут совпадать с центром симметрии молекулы, а несимметричные молекулы будут полярны.

К неполярным диэлектрикам относятся:

Однако при замещении в углеводородах некоторой части водородных атомов другими атомами или группами атомов (кроме углеводородных радикалов) получаются полярные вещества. Например, молекула бензола С₆Н₆

имеет симметричную форму (плоское шестичленное кольцо), поэтому бензол неполярен; однако нитробензол С₆Н₅—NO₂, т.е. бензол, в молекуле которого

К полярным диэлектрикам относятся, например, кремнийорганические соединения, феноло-формальдегидные смолы, хлорированные углеводороды и т.д.

При оценке полярности вещества по строению его молекул необходимо учитывать не условное написание химической формулы, а фактическое расположение зарядов в пространстве. Например, формулы аммония NH₃ и фторида бора BF₃ выглядят сходно, но в реальности молекула BF₃ имеет центр симметрии (рисунок 4.3, а) и неполярна, а молекула NH₃ несимметрична (рисунок 4.3, б) и аммоний – типичное полярное вещество.

Рисунок 4.3 – Зависимость полярности вещества от пространственного расположения зарядов: а – фторид бора; б – аммоний

Для полимерных материалов следует рассматривать полярность отдельных звеньев полимерной молекулы. Так, например, полиэтилен, простейший полимер углеводородного состава (С₂Н₄)_n, имеет симметричное строение

каждого звена молекулярной цепочки и потому неполярен, в то время как поливинилхлорид, молекулу которого можно представить как молекулу полиэтилена с замещением в каждом звене одного атома Н атомом Cl, полярен.

© ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Редакционно-издательский центр
Отдел допечатной подготовки и программно-методического обеспечения
Уфа 2014

Источник

Полярные и неполярные диэлектрики. Электрический диполь. Дипольный момент.

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 p = q • l = 0. Примером практически неполярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных материалов, являются углеводороды, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др.

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. При замещении в неполярных полимерах некоторой части водородных атомов другими атомами или не углеводородными радикалами получаются полярные вещества. При определении полярности вещества по химической формуле следует учитывать пространственное строение молекул. К полярным диэлектрикам относятся феноло-формальдегидные и эпоксидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др

Электрический диполь — идеализированная электронейтральная система, состоящая из точечных и равных по абсолютной величине положительного и отрицательного электрических зарядов.

Другими словами, электрический диполь представляет собой совокупность двух равных по абсолютной величине разноимённых точечных зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга

Электри́ческий ди́польный моме́нт — векторная физическая величина, характеризующая, наряду с суммарным зарядом (и реже используемыми высшими мультипольными моментами), электрические свойства системы заряженных частиц (распределениязарядов) в смысле создаваемого ею поля и действия на нее внешних полей. Главная после суммарного заряда и положения системы в целом (ее радиус-вектора) характеристика конфигурации зарядов системы при наблюдении ее издали.

Простейшая система зарядов, имеющая определенный (не зависящий от выбора начала координат) ненулевой дипольный момент — это диполь (две точечные частицы с одинаковыми по величине разноимёнными зарядами). Электрический дипольный момент такой системы по модулю равен произведению величины положительного заряда на расстояние между зарядами и направлен от отрицательного заряда к положительному, или:

— где q — величина положительного заряда, — вектор с началом в отрицательном заряде и концом в положительном.

Для системы из N частиц электрический дипольный момент равен

где — заряд частицы с номером а — её радиус-вектор; или, если суммировать отдельно по положительным и отрицательным зарядам:

Электрический дипольный момент нейтральной системы зарядов не зависит от выбора начала координат, а определяется относительным расположением (и величинами) зарядов в системе.

Источник

Полярные диэлектрики

Молекулы и атомы веществ являются нейтральными, не смотря на то, что в их состав входят заряженные электроны и протоны.

Существуют диэлектрики, в которых имеются молекулы с наличием дипольного момента при отсутствии электрического поля (полярные молекулы). Если поля нет, то полярные молекулы принимают участие в тепловом движении с беспорядочным ориентированием. Если диэлектрик внести в поле, то молекулы ориентируются в направлении поля.

Установление равновесия

Устойчивым состоянием системы считается состояние с минимумом значения потенциальной энергии, моменты диполей стремятся повернуться до совпадения с направлением напряженности поля. Поворот осуществим с помощью пары сил, действующих на диполь в электрическом поле. Тепловое равновесие мешает упорядочиванию электрического поля. В результате чего может быть установлено равновесие.

Если условие выполняется, поляризованность принимает максимальное значение, при увеличении напряженности приложенного к диэлектрику поля по поляризованность не увеличится.

Напряженность, при которой достигается максимальная поляризованность, называют напряженностью поля насыщения.

Поляризация разреженного газа

По уравнению ( 4 ) видно, что имеется связь между диэлектрической проницаемостью полярных диэлектриков и температуры, так как при нагревании происходит уменьшение.

Вместе с поляризованностью, которая обусловлена индуцированными дипольными моментами, вследствие переориентирования диполей в полярных диэлектриках происходит ее возникновение. Чаще всего ее значением пренебрегают. При рассматривании переориентации дипольных моментов квантовой теории также обращают внимание на вращение молекул.

Напряженность E ‘ → не получится легко выразить через напряженность внешнего поля. Следует применять специальные методы, например, Лоренца. Аналогично неполярным диэлектрикам при сравнении форм записей их векторов поляризации применяют формулу Моссоти-Клаузиуса:

Применение формулы ( 7 ) разрешено только при представлении локального поля в виде:

Если необходимо учитывать деформацию молекул под воздействием электрического поля, определение диэлектрической проницаемости газа запишется:

Из формулы ( 9 ) видно, что второе слагаемое описывает электронную поляризацию смещения, а третье – ориентационную.

Существуют диэлектрические (ионные) кристаллы, которые состоят из ионов противоположного знака. Они имеют две кристаллические решетки, положительную и отрицательную, вдвинутые одна в другую. Такой кристалл сравним с гигантской молекулой. Если наложить электрическое поле, происходит сдвижение одной из решеток относительно другой. Так протекает поляризация ионных кристаллов.

Решение

Предварительно следует вспомнить, что

Для определения типа молекулярной или атомарной поляризации следует установить агрегатное состояние вещества и выявить, является ли оно полярным или неполярным.

Решение

Для дипольного момента применим формулу

Далее следует выразить из p = q l искомый заряд. Получаем:

Подставляем числовые выражение и производим вычисление значения заряда:

Источник