електричний диполь

1. Вивчити елементарну теорію поляризації діелектриків.

2. Визначити діелектричну проникність неполярного діелектрика з експериментальної залежності ємності циліндричного конденсатора від рівня заповнення його рідким неполярних діелектриком.

3. Розрахувати лінійну щільність вільних і зв'язаних зарядів, значення напруженостей електричних полів вільних і зв'язаних зарядів, поляризована і щільність енергії електричного поля між обкладками конденсатора.

4. Накреслити графік залежності тангенса діелектричних втрат від ємності конденсатора і визначити активний опір конденсатора в схемі паралельного заміщення.

З рис. 2 видно, що однорідне електричне поле робить на диполь ориентирующее дію, прагнучи повернути диполь таким чином, щоб вектор його дипольного моменту

p r збігся у напрямку з вектором E r. В цьому випадку α = 0. а, отже, і M = 0.

діелектрики

Відповідно зі здатністю проводити електричний струм все речовини підрозділяються на діелектрики (або ізолятори), провідники і напівпровідники. Діелектриками називаються речовини, які не проводять електричний струм. У них практично відсутні вільні електрони і впорядкований рух електричних зарядів в звичайних умовах неможливо. Валентні електрони в атомах діелектриків міцно пов'язані зі своїми ядрами і в звичайних умовах не можуть отщепляться від них. Ідеальних ізоляторів в природі не існує. Всі речовини хоча б в незначній мірі проводять електричний струм. Речовини, звані діелектриками, проводять струм в 10 15 - 10 20 разів гірше, ніж речовини, звані провідниками. Діелектрики складаються або з нейтральних атомів і молекул, або з заряджених іонів, що знаходяться у вузлах кристалічної решітки.

До діелектриків відносяться деякі тверді речовини (скло, фарфор та ін.), Рідини (хімічно чиста вода, CH 3 Cl і ін.) І гази (H 2. N 2. CCl 4. NH 4 і ін.).

Діелектрик називається однорідним і ізотропним. якщо його властивості однакові в будь-якій точці об'єму діелектрика і в усіх напрямках всередині діелектрика.

Залежно від будови молекул розрізняють полярні і неполярні діелектрики. Якщо під час відсутності зовнішнього електричного поля центримас позитивних і негативних зарядів в молекулі діелектрика збігаються, то діелектрик називається неполярних. Неполярну молекулу схематично можна представити у вигляді позитивного заряду, симетрично оточеного негативно зарядженої електронної оболонкою. До

такого класу відносяться всі гази і більшість рідин.

У молекулах полярних діелектриків ядра і електрони розташовані таким чином, що центри мас позитивних і негативних зарядів не збігаються. Такі молекули поводяться як жорсткі диполі, що володіють електричним моментом, модуль якого постійний.

поляризація діелектриків

Якщо зразок діелектрика помістити в зовнішнє електричне поле, наприклад, піднісши позитивно заряджене тіло (рис. 3), то на поверхні діелектрика, а також, власне кажучи, і в його обсязі (для неоднорідних діелектриків), появляютсянескомпенсірованние заряди. На поверхні, зверненої кположітельному заряду, утворюються негативні заряди, ана протилежної поверхні - позитивні. Це явище називається поляризацією діелектрика.

Нескомпенсовані заряди, що з'являються в результаті поляризації діелектрика, називають поляризаційними або пов'язаними. Останнім терміном хочуть підкреслити, що свобода переміщення таких зарядів обмежена. Вони можуть зміщуватися тільки всередині

електрично нейтральних молекул. Заряди, які не входять до складу молекул діелектрика, називають вільними.

Механізми поляризації діелектриків різні і пов'язані з конкретним будовою діелектрика.

Електронна поляризація спостерігається у діелектриків, що складаються з неполярних молекул. Під час відсутності зовнішнього електричного поля сумарний заряд і дипольний момент кожної неполярной молекули, а також будь-якій частині діелектрика в цілому дорівнюють нулю. На рис. 4а неполярні молекули діелектрика зображені у вигляді гуртків. При включенні зовнішнього електричного поля кожна молекула діелектрика поляризується: позитивно заряджені частинки (атомні ядра) зміщуються в напрямку по полю, негативно заряджені частинки (електрони) - в напрямку проти поля. Відбувається просторове розділення позитивних і негативних зарядів. В результаті поляризації дипольний момент молекули стає відмінним від нуля. Як видно з рис. 4б, поверхня зразка діелектрика стає зарядженою. Та частина поверхні, в напрямку якої під дією поля зміщуються позитивні заряди, виявляється зарядженої позитивно.

На протилежному боці діелектрика виникає негативний заряд. Тепловий рух молекул не впливає на електронну поляризацію.

Орієнтаційна поляризація спостерігається у полярних діелектриків. Молекула полярного діелектрика в цілому є електрично нейтральною, проте її позитивний і негативний заряди розподілені в просторі таким чином, що дипольний момент молекули відмінний від нуля (рис. 5а). Під час відсутності зовнішнього електричного поля внаслідок хаотичного теплового руху молекул не існує переважного напрямку, уздовж якого орієнтувалися б їх дипольні моменти. Дипольний момент будь-якого фізично нескінченно малого обсягу і всього тіла в цілому дорівнюють нулю. Під дією зовнішнього електричного поля

молекули діелектрика прагнуть повернутися таким чином, щоб вектори їх дипольних

моментів співпали у напрямку з вектором напруженості зовнішнього поля Е r. Цьому перешкоджає хаотичний тепловий рух молекул, що викликає безладний розкид диполів. В результаті спільної дії поля і теплового руху виникає переважна орієнтація дипольних моментів уздовж поля. Діелектрик набуває відмінний від нуля електричний момент, тобто поляризується, внаслідок чого на поверхні утворюються пов'язані заряди (рис. 5б). Поляризація полярних діелектриків сильно залежить від температури, тому що тепловий рух молекул відіграє роль дезорієнтуючі фактора. Орієнтаційна поляризація типова для багатьох рідин і газів і зростає зі збільшенням напруженості електричного поля і зі зменшенням температури.

Іонна поляризація спостерігається у кристалічних діелектриків (NaCl та ін.). Вона полягає в тому, що під впливом зовнішнього електричного поля всі позитивні іони решітки зміщуються в напрямку вектора напруженості поля, а негативні - в протилежному. В результаті цього кристалічний діелектрик набуває електричний момент (поляризація є результатом зсуву іонних подрешеток один щодо одного).

поляризованность

r Кількісною мірою поляризації діелектрика служить сумарний дипольний момент P молекул діелектрика, віднесений до одиниці об'єму діелектрика,