Какие существуют типы диэлектриков

§ 12.7 Диэлектрики. Типы диэлектриков и их поляризация

В 1729 г. английский физик Стефан Грей обнаружил, что электрический заряд может перемещаться по одним телам и не перемещаться по другим. Например, по металлической проволоке электричество в его опытах распространялось, а по шелковой нити нет. С тех пор все вещества стали делиться на проводники и непроводники электричества. Последние были названы Фарадеем диэлектриками.

Введённый Фарадеем в 1837 г. термин «диэлектрики» образован от двух слов — греческого «диа» (что значит «через») и английского electric (электрический).

Диэлектриком называют вещество, которое не проводит электрический ток, следовательно в это веществе отсутствуют свободные заряженные частицы (т.е. таких заряженных частиц, которые способны свободно перемещаться по всему объёму тела). Такими частицами могли бы быть электроны, но в идеальном диэлектрике все электроны связаны с ядром атома, т.е. принадлежат отдельным атомам, и свободно перемещаться по телу не могут. Чтобы нарушить эту связь, нужны сильные воздействующие факторы.

Диэлектрики обладают способностью пропускать через себя электростатическое поле. Проникая через диэлектрики электростатическое поле ослабевает, но всё-таки не до нуля, как это происходит в металлах.

Диэлектриками могут быть вещества в трёх агрегатных состояниях: газообразном (азот, водород), жидком (чистая вода), твёрдом (янтарь, фарфор, кварц).

Всякая молекула представляет собой систему с суммарным зарядом, равным нулю. Поведение молекулы во внешнем электрическом поле эквивалентно диполю. Положительный заряд такого диполя равен суммарному заряду ядер, помещён в «центр тяжести» положительных зарядов; отрицательный заряд равен суммарному заряду электронов и помещён в «центр тяжести» отрицательных зарядов.

Все диэлектрики делятся на три группы: полярные, неполярные и кристаллические.

Полярные диэлектрики состоят из молекул, которые имеют асимметричное строение, что приводит к несовпадению «центров тяжести» положительных и отрицательных зарядов в молекуле (рис.12.20). Молекула в этом случае представляет собой диполь. В отсутствие внешнего поля Е₀,благодаря тепловому движению молекул, дипольные моменты ориентированы хаотически и суммарный дипольный момент всех молекул равен нулю . К таким диэлектрикам относятся фенол, нитробензол.

Неполярные диэлектрики состоят из атомов и молекул, которые имеют симметричное строение (рис.12.21) , т.е. «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов совпадают в отсутствие внешнего электрического поля и, следовательно, не обладают собственным дипольным моментом. К ним относят инертные газы, бензол, парафин, водород, кислород.

Кристаллические диэлектрики имеют ионную структуру, — это слабополярные диэлектрики. К ним относятся NaCl, KCl.

При помещении диэлектрика в электрическое поле в его объёме и на поверхности появляются макроскопические заряды. Указанные заряды возникают в результате поляризации диэлектриков.

Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей, т.е. смещение положительных и отрицательных зарядов внутри диэлектрика в противоположные стороны.

Трём группам диэлектриков соответствует три вида поляризации.

Дипольная (ориентационная) поляризация. При отсутствии внешнего поля дипольные моменты полярных молекул вследствие теплового движения ориентированы в пространстве хаотично и их результирующий момент равен нулю (рис.12.22, а) . Если такой диэлектрик поместить во внешнее поле (рис.12.22, б) , то силы этого поля будут стремится повернуть диполи вдоль поля и возникает отличный от нуля результирующий момент. Эта ориентация дипольных моментов молекул по полю тем сильнее, чем больше напряжённость электрического поля и ниже температура.

Электронная поляризация. Если неполярную молекулу поместить во внешнее электрическое поле Е₀, то под действием электрического поля происходит деформация её электронных орбит и молекулы диэлектрика превращаются в диполи, сразу ориентированные вдоль внешнего поля (ядра молекулы при этом смещаются по полю, а электронная оболочка вытягивается против поля и молекула приобретает дипольный момент

Ионная поляризация. Если кристаллический диэлектрик (NaCl) имеющий кристаллическую решётку, в узлах которой правильно чередуются положительные и отрицательные ионы, поместить во внешнее электрическое поле Е₀, то произойдёт смещение положительных ионов решётки вдоль направления поля, а отрицательных ионов – в противоположную сторону. В результате диэлектрик поляризуется.

Такого рода поляризация называется ионной. Степень ионной поляризации зависит от свойств диэлектрика и от напряжённости поля.

Диэлектрики: определения, формулы, примеры

Диэлектриками называют вещества, не обладающие способностью проводить электрический ток.

Стоит отметить, что данное определение лишь приблизительно выражает физический смысл приведенного понятия.

Абсолютных изоляторов, то есть веществ, которые совсем не проводят ток, в природе не существует. Диэлектрики по сравнению с проводниками в 1015 − 1020 раз хуже проводят ток. Данный факт основывается на том, что в диэлектриках отсутствуют свободные заряды.

Что такое диэлектрики и их примеры

Если диэлектрик поместить в электрическое поле, то, как диэлектрик, так и само поле значительно изменятся. В диэлектриках, в которых до контакта с полем не было заряда, возникают электрические заряды. Это явление объясняется процессом поляризации вещества, другими словами, в поле диэлектрик обретает электрические полюсы. Возникающие при этом заряды называются поляризационными.

Разделить такие заряды невозможно, чем они существенно отличаются от индукционных зарядов в проводниках. Данное отличие основывается на том факте, что в металлах присутствуют электроны, имеющие возможность перемещаться на относительно большие расстояния. В диэлектриках положительные и отрицательные заряды связаны между собой, и их перемещение ограничено пределами одной молекулы, что является крайне малым расстоянием.

Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул, либо из закрепленных в положении равновесия, к примеру, в узлах кристаллической решетки заряженных ионов. Ионные кристаллические решетки могут быть разбиты на, в целом, нейтральные «элементарные ячейки».

Действие электрического поля на заряды, принадлежащие диэлектрику, провоцирует лишь легкое смещение относительно изначального положения, тогда как заряды проводников, испытывающие такое же влияние, срываются с места. В условиях отсутствующего электрического поля диэлектрик может быть условно представлен в виде совокупности молекул, в каждой из которых положительные и отрицательные заряды равные по величине распределены по всему объему вещества.

В процессе поляризации заряды каждой отдельной молекулы диэлектрика смещаются в противоположные ее стороны. Соответственно, одна часть молекулы становиться положительно заряженной, а другой — отрицательно, что, в общем, дает возможность заявить: молекула превращается в электрический диполь.

Равнодействующая электрических сил, в однородном поле оказывающих влияние на нейтральную молекулу диэлектрика, эквивалентна нулю. Этот факт основывается на том, что центр тяжести молекулы не передвигается ни в одну из сторон. Молекула просто претерпевает деформирование.

Существуют такие диэлектрики, в которых в условиях отсутствующего электрического поля молекулы имеют дипольный момент (полярные молекулы).

В случае, когда поле отсутствует, такие молекулы, принимающие непосредственное участие в тепловом движении, ориентированы беспорядочно. Если же диэлектрик находится в поле, молекулы, в основном, ориентируются по его направлению. Соответственно, диэлектрик проходит процесс поляризации.

У симметричных молекул, таких как, к примеру, O 2 , N 2 , в отсутствие поля центры тяжести отрицательных и положительных зарядов одинаковы. По этой причине собственного дипольного момента у молекул нет (неполярные молекулы). У несимметричных же молекул (возьмем в качестве примера H 2 O , C O ) центры тяжести сдвинуты друг относительно друга, в результате чего молекулы имеют дипольный момент и носят название полярных.

Также существуют диэлектрические или же ионные кристаллы, которые формируются при помощи ионов с противоположным знаком. Такой кристалл состоит из пары “вдвинутых” друг в друга кристаллических решеток, одна из которых является положительной, а вторая — отрицательной. В целом кристалл условно можно принять за подобие гигантской молекулы. Процесс наложения электрического поля провоцирует сдвиг одной решеток относительно друг друга, вследствие чего и происходит поляризация ионных кристаллов. Существует также тип поляризованных без участия поля кристаллов. При дальнейшем исследовании поведения диэлектриков в электрических полях механизм возникновения поляризации значения иметь не будет. Существенным фактом является только то, что поляризация диэлектрика происходит через появление некомпенсированных макроскопических зарядов. Значения объемной плотность зарядов ( ρ ) и поверхностной плотности ( σ ) неполяризованного диэлектрика равняются нулю. После же процесса поляризации σ ≠ 0 , а в некоторых случаях и ρ ≠ 0 . Поляризация приводит к появлению в тонком поверхностном слое диэлектрика избытка связанных зарядов с одним знаком. В том случае, если ортогональная или же перпендикулярная часть напряженности поля E n → ≠ 0 на приведенном участке, то в результате влияния поля заряды с одним знаком уходят внутрь, а с другим, наоборот, выходят наружу.

Вектор поляризации диэлектрика

Поляризованность P → или, другими словами, вектор поляризованности характеризует степень поляризации диэлектрика:

где ∆ ρ представляет собой дипольный момент элемента диэлектрика.

В условиях неполярных молекул вектор поляризованности может быть определен в следующем виде:

P → = 1 ∆ V ∑ ∆ V ρ i → = N ρ 0 → ,

где сложение идет относительно всех молекул в объеме △ V . N — концентрация молекул,
ρ 0 → является индуцированным дипольным моментом (Он один и тот же у всех молекул). ρ 0 → ↑ ↑ E → .

Формула поляризованности в условиях полярных молекул принимает вид следующего выражения:

P → = 1 ∆ V ∑ ∆ V ρ i → = N p → ,

в котором P → представляет собой среднее значение дипольных моментов, которые равнозначны по модулю, но обладают разными направлениями.

В изотропных диэлектриках средние дипольные моменты по направлению идентичны напряженности внешнего электрического поля. У диэлектриков с молекулами полярного типа, вклад в поляризованность от наведенных зарядов значительно ниже вклада от переориентации поля.

Ионная решеточная поляризации может быть описана следующей формулой: P → = 1 ∆ V ∑ ∆ V ρ i → = N p → .

В большей части случаев подобная поляризация является анизотропной.

Если представить плоский конденсатор, который заполнен диэлектриком так, как это проиллюстрировано на рисунке 1 , то на принадлежащей ему левой обкладке расположен положительный заряд, а на правой — отрицательный. По причине того факта, что разноименные заряды притягиваются друг к другу, у положительной обкладки на поверхности диэлектрика появится отрицательный заряд, а у правой, то есть отрицательной – положительный заряд диэлектрика. Выходит, что поле, формирующееся поляризационными зарядами, имеет противоположное направлению поля направление, которое создают обкладки, соответственно, диэлектрик ослабляет поле.

+ q , − q представляют собой заряды на обкладках конденсатора.

E → является напряженностью поля, которое формируется обкладками конденсатора.

− q ′ , + q ′ — это заряды диэлектрика.

E → ‘ — напряженность поля, которое создается как результат поляризации диэлектрика.

Явление влияния вещества на магнитное и электрическое поля было эмпирическим путем открыто Фарадеем. Именно этим ученым было в науку были введены такие термины, как диэлектрик и диэлектрическая постоянная.

В случае если однородный изотропный диэлектрик полностью заполняет собой объем, ограниченный эквипотенциальными поверхностями поля сторонних зарядов, то напряженность поля внутри него в ε раз меньше напряженности поля сторонних зарядов.

где ε определяет диэлектрическую проницаемость среды.

Напряженность поля точечного заряда, который расположен в диэлектрике с некоторой диэлектрической проницаемостью ε, может быть выражена в виде следующего выражения:

E → = 1 4 π ε ε 0 q r 3 r → .

Закон Кулона для зарядов, находящихся в жидком и газообразном диэлектрике принимает такой вид:

F → = 1 4 π ε ε 0 q 1 q 2 r 3 r → .

Задание: Бесконечную плоскую пластину из однородного изотропного диэлектрика разместили в однородном электростатическом поле с напряженностью E = 200 В м , направленной под прямым углом силовым линиям поля. Диэлектрическая проницаемость диэлектрика равняется 2 . Какова напряженность поля внутри диэлектрика?

Решение

Поле в вакууме в ε раз сильнее, чем поле в диэлектрике, по этой причине запишем, что:

Произведем некоторые расчеты:

E → ‘ = 200 2 = 100 В м .

Ответ: Напряженность поля в пластине будет 100 В м .

Задание: Заряженные шарики обладают массой m 1 = m 2 = m . Они подвешены на нитях, имеющих одинаковые значения длины, в одной точке, их заряды эквивалентны q 1 и q 2 ( смотри рисунок 1 ). Изначально они располагаются в воздухе (диэлектрическая проницаемость ε 1 ), после этого погружаются в жидкость ε 2 . Каково отношение диэлектрических проницаемостей ε 2 ε 1 , если при погружении в жидкость системы из шариков угол расхождения нитей не претерпел изменений? Отношение плотности шариков к плотности диэлектрика ρ s h ρ d = b .

Решение

Запишем условие равновесия шарика в симметричной системе в воздухе:

F e 1 → + m g → + N 1 → = 0 .

Теперь выразим условие равновесия одного шарика в жидкости:

F e 2 → + m g → + N 2 → + F A → = 0 .

Запишем проекции уравнения F e 1 → + m g → + N 1 → = 0 на оси:

О х : F e 1 — N 1 sin a 2 = 0 ,

O y : m g — N 1 cos α 2 = 0 .

Проекции уравнения F e 2 → + m g → + N 2 → + F A → = 0 на оси:

О х : F e 2 — N 2 sin α 2 = 0 ,

O y : m g — N 2 cos α 2 — F A = 0 .

Берем отношение уравнения F e 1 — N 1 sin a 2 = 0 и m g — N 1 cos a 2 = 0 , в качестве результата получаем:

t g a 2 = F e 1 m g .

Уравнение F e 2 — N 2 sin a 2 = 0 на уравнение m g — N 2 cos a 2 — F A = 0 , получаем:

t g a 2 = F e 2 m g — F A → F e 1 m g = F e 2 m g — F A .

Основываясь на законе Кулона, запишем такое выражения для F e 1 , F e 2 :

F e 1 = q 1 q 2 4 π ε 1 ε 0 r 2 и F e 2 = q 1 q 2 4 π ε 2 ε 0 r 2 .

Модуль силы Архимеда равняется следующему выражению:

F A = ρ d V g = ρ d m ρ s h g .

Подставим в уравнение t g a 2 = F e 2 m g — F A → F e 1 m g = F e 2 m g — F A уравнения F e 1 = q 1 q 2 4 π ε 1 ε 0 r 2 и

F e 2 = q 1 q 2 4 π ε 2 ε 0 r 2 , в результате получим:

q 1 q 2 4 πε 1 ε 0 r 2 m g = q 1 q 2 4 πε 2 ε 0 r 2 m g — ρ d m ρ s h g → 1 ε 1 1 = 1 ε 2 1 — ρ d ρ s h → ε 2 ε 1 = 1 1 — ρ d ρ s h = 1 1 — b .

Ответ: Диэлектрическая проницаемость жидкости должна быть ε 2 e 1 = 1 1 — b .

Диэлектрики

Диэле́ктрики, вещества, плохо проводящие электрический ток . Термин «диэлектрики» введён М. Фарадеем для обозначения веществ, в которые проникает электростатическое поле . При помещении в электрическое поле любого вещества электроны и атомные ядра испытывают силы со стороны этого поля. В результате часть зарядов направленно перемещается, создавая электрический ток. Остальные же заряды перераспределяются так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются относительно друг друга. В последнем случае говорят о поляризации вещества. В зависимости от того, какой из этих двух процессов (поляризация или электрическая проводимость ) преобладает, вещества делят на диэлектрики (все неионизованные газы, некоторые жидкости и твёрдые тела) и проводники (металлы, электролиты , плазма ). Электрическая проводимость диэлектриков по сравнению с металлами очень мала. Удельное электрическое сопротивление диэлектриков лежит в пределах 10 8 –10 17 Ом·см, металлов – 10 –6 –10 –4 Ом·см.

Количественное различие в электрической проводимости диэлектриков и металлов классическая физика пыталась объяснить тем, что в металлах есть свободные электроны, в то время как в диэлектриках все электроны связаны (принадлежат отдельным атомам) и электрическое поле их не отрывает, а лишь слегка смещает.

Квантовая теория твёрдого тела объясняет различие электрических свойств металлов и диэлектриков различным распределением электронов по энергетическим уровням. В диэлектриках верхний заполненный электронами энергетический уровень совпадает с верхней границей одной из разрешённых зон (в металлах он лежит внутри разрешённой зоны), а ближайшие свободные уровни отделены от заполненных запрещённой зоной , преодолеть которую под действием не слишком сильных электрических полей электроны не могут ( зонная теория ). Действие электрического поля сводится к перераспределению электронной плотности , которое приводит к поляризации диэлектрика.

Поляризация диэлектриков

Механизмы поляризации диэлектриков зависят от характера химической связи , т. е. распределения электронной плотности в диэлектриках. В ионных кристаллах (например, NaCl \text NaCl ) поляризация является результатом сдвига ионов относительно друг друга (ионная поляризация), а также деформации электронных оболочек отдельных ионов (электронная поляризация), т. е. суммой ионной и электронной поляризаций. В кристаллах с ковалентной связью (например, алмаз ), где электронная плотность равномерно распределена между атомами, поляризация обусловлена главным образом смещением электронов, осуществляющих химическую связь. В т. н. полярных диэлектриках (например, твёрдый H 2 S \text_2\text H 2 ​ S ) группы атомов представляют собой электрические диполи , которые ориентированы хаотически в отсутствии электрического поля, а в поле приобретают преимущественную ориентацию. Такая ориентационная поляризация типична для многих жидкостей и газов. Похожий механизм поляризации связан с «перескоком» под действием электрического поля отдельных ионов из одних положений равновесия в решётке в другие. Особенно часто такой механизм наблюдается в веществах с водородной связью (например, лёд ), где атомы водорода имеют несколько положений равновесия.

Диэлектрики в переменном поле

Поляризация диэлектриков в отсутствии электрического поля

В ряде твёрдых диэлектриков (пироэлектриках, сегнетоэлектриках, пьезоэлектриках, электретах) поляризация может существовать и без электрического поля, т. е. может быть вызвана другими причинами. Так, в пироэлектриках заряды располагаются столь несимметрично, что центры тяжести зарядов противоположного знака не совпадают, т. е. диэлектрик спонтанно поляризован. Однако поляризация в пироэлектриках проявляется только при изменении температуры, когда компенсирующие поляризацию электрические заряды не успевают перестроиться. Разновидностью пироэлектриков являются сегнетоэлектрики, спонтанная поляризация которых может существенно изменяться под влиянием внешних воздействий (температуры, электрического поля). В пьезоэлектриках поляризация возникает при деформации кристалла, что связано с особенностями их кристаллической структуры. Поляризация в отсутствии поля может наблюдаться также в некоторых веществах типа смол и стёкол, называемых электретами.

Электрическая проводимость диэлектриков

Электрическая проводимость диэлектриков мала, но всегда отлична от нуля. Подвижными носителями заряда в диэлектриках могут быть электроны и ионы. В обычных условиях электронная проводимость диэлектриков мала по сравнению с ионной. Ионная проводимость может быть обусловлена перемещением как собственных ионов, так и примесных. Возможность перемещения ионов по кристаллу связана с наличием дефектов в кристаллах . Если, например, в кристалле есть вакансия , то под действием поля соседний ион может занять её, во вновь образовавшуюся вакансию может перейти следующий ион и т. д. В итоге происходит движение вакансий, которое приводит к переносу заряда через весь кристалл. Перемещение ионов происходит и в результате их перескоков по междоузлиям. С ростом температуры ионная проводимость возрастает. Заметный вклад в электрическую проводимость диэлектриков может вносить поверхностная проводимость ( поверхностные явления ).

Пробой диэлектриков

Нелинейные свойства диэлектриков

Применение диэлектриков

Диэлектрики используются главным образом как электроизоляционные материалы. Пьезоэлектрики применяются для преобразования механических сигналов (перемещений, деформаций , звуковых колебаний ) в электрические и наоборот (пьезоэлектрический преобразователь); пироэлектрики – как тепловые детекторы различных излучений, особенно ИК-излучения; сегнетоэлектрики , будучи также пьезоэлектриками и пироэлектриками, применяются, кроме того, как конденсаторные материалы (из-за высокой диэлектрической проницаемости), а также как нелинейные элементы и элементы памяти в разнообразных устройствах. Большинство оптических материалов является диэлектриками.

Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков. Поляризованность, напряженность поля в диэлектрике.

Диэлектрики (изоляторы) – вещества, проводящие электрический ток в 10 15 -10 20 раз хуже, чем проводники (пластмасса, керамика).

Молекулы диэлектрика бывают двух видов:

· полярные, то есть такие, в которых центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают; эти молекулы представляют собой готовые диполи;

· неполярные, то есть не диполи.

Полярные молекулы-диполи во внешнем электрическом поле ведут себя как любые диполи, то есть стремятся выстроится так, что бы их моменты были направлены вдоль поля. Полного выстраивания не происходит, этому мешает тепловое движение молекул (чем выше поле, тем сильнее выстраивание).

Неполярные молекулы под действием внешнего поля превращаются в диполи, то есть под действием поля положительные и отрицательные заряды в молекулах смещаются в разные стороны; дипольный момент таких молекул всегда направлен вдоль поля. Чем сильнее поле, тем больше дипольный момент; от температуры наведённый таким образом дипольный момент не зависит.

В обеих случаях происходит поляризация диэлектрика, причём в первом случае (полярные молекулы) поляризация называется ориентационной, во втором — электронной (так как под действием поля электроны в молекулах смещаются эффективнее, они легче). Очевидно, что в полярных молекулах, наряду с ориентационной, имеется и электронная поляризация.

Поляризация диэлектриков- это процесс смещения электрических зарядов в диэлектрике под действием приложенного электрического поля. Может осуществляться благодаря сдвигу ионов относительно друг друга, деформации электронных оболочек отдельных атомов, молекул, ионов либо ориентации электрических диполей, существовавших в диэлектрике и в отсутствие электрического поля.

Молекулы неполярных диэлектриков поляризуются под действием э.п.. Неполярная молекула деформируется и приобретает электрический момент – поляризуется.

Молекулы полярных диэлектриков в отсутствии электрического поля расположены хаотически, поэтому векторная сумма электрических моментов молекул ∑Р=0.

Поляризованность Р=∑Р/Vвекторная сумма электрических моментов молекул единицы объема диэлектрика. В отсутствии поляР=0

Проводники в электрическом поле. Электрическое поле внутри проводника и у его поверхности. Защита от электростатических полей.

Проводники – вещества, которые проводят электрический ток с наименьшим сопротивлением (большинство – металлы).

Проводники в электрическом поле.

Основная особенность – наличие свободных носителей зарядов.

Если поместить проводник во внешнее электрическое поле с напряженностью E=0, то на поверхности проводника возникают индуцированные заряды.

Заряды будут индуцироваться на поверхности проводника до тех пор, пока напряженность поля внутри проводника не станет равной нулю.

После установления равновесия, напряженность поля внутри проводника всегда равна нулю. Это свойство впервые установлено Майклом Фарадеем и используется в электростатической защите.

Проводники, внесенные в электрическое поле, вносят изменения, т.к. под действием внешнего поля на поверхности проводника возникают индуцированные заряды, часть линий напряженности внешнего поля будут возникать и исчезать на индуцированных зарядах, проводники искажают картину электрического поля.

Объемная плотность энергии электрического поля.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: