Полярные диэлектрики
В целом молекулы и атомы всех веществ являются нейтральными, не смотря на то, что в них входят заряженные электроны и протоны.
Поляризация диэлектрика
Существуют диэлектрики, в которых молекулы имеют дипольный момент в отсутствии электрического поля (полярные молекулы). Если поле отсутствует, то полярные молекулы участвуют в тепловом движении, ориентированы беспорядочно. При внесении диэлектрика в поле, молекулы ориентируются в основном в направлении поля. Следовательно, диэлектрик поляризуется.
У симметричных молекул, например, $O_2,\ N_2,$ при отсутствии поля центры тяжести отрицательных и положительных зарядов совпадают, вследствие, чего собственного дипольного момента у молекул нет (неполярные молекулы).
У несимметричных молекул (${например,\ H}_2O,\ CO$) центры тяжести сдвинуты друг относительно друга, в результате чего молекулы имеют дипольный момент и называются полярными.
Постоянный дипольный момент у большинства молекул диэлектриков имеет порядок ${10}{-29}-{10}{-30}Кл\cdot м.\ $ Так, например, у KCl он равен 3,5$\cdot {10}{-29}Кл\cdot м$, $SO_2-5,3\cdot {10}{-30}Кл\cdot м.\ $ Дипольные моменты большинства веществ измерены и их можно отыскать в справочниках.
Ничего непонятно?
Попробуй обратиться за помощью к преподавателям
Установление равновесия
Дипольный момент $\overrightarrow{p}$, молекулы, которая находится в электрическом поле с напряженностью $\overrightarrow{E,}\ $имеет потенциальную энергию, которая вычисляется по формуле:
Величина $W$ достигает минимального значения в том случае, когда $\overrightarrow{p}\uparrow \uparrow \overrightarrow{E.
}$ Так как устойчивым состоянием системы является состояние с минимумом потенциальной энергии, то моменты диполей стремятся повернуться до совпадения с направлением напряженности поля.
Этот поворот осуществляет пара сил, которые действуют на диполь в электрическом поле. Тепловое движение, в свою очередь, мешает упорядочивающему действию электрического поля. В результате устанавливается равновесие.
С увеличением напряженности поля дипольные моменты интенсивнее ориентируются вдоль напряженности поля при $\overrightarrow{p}\cdot \overrightarrow{E}\gg kT$, то есть при $\beta \gg 1$, можно считать, что все дипольные моменты параллельны между собой и параллельны полю. Тогда дипольный момент можно записать, используя одну только координатную проекцию, допустим, что поле направлено вдоль оси Z, тогда:
При выполнении условия (2) достигается максимальная поляризованность и если увеличивать напряженность приложенного к диэлектрику поля, то поляризованность не увеличивается. Напряжённость, при которой достигается максимальная поляризованность, называется напряженностью поля насыщения.
Поляризация разреженного газа
Источник: https://spravochnick.ru/fizika/polyarnye_dielektriki/
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.
Поляризация полярных диэлектриков
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.
Поляризация неполярных диэлектриков
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: https://www.calc.ru/Dielektriki-V-Elektricheskom-Pole.html
Поляризация диэлектриков
Физика > Поляризация
Изучите поляризацию диэлектриков – смещение положительных и отрицательных зарядов. Узнайте, что такое диэлектрики, дипольный момент, изолятор, модель атома.
Поляризация диэлектриков возникает при разделении положительных и отрицательных зарядов в материале.
Задача обучения
- Выявить два способа поляризации на молекулярном уровне.
Основные пункты
- Диэлектрики – изоляторы, способные поляризоваться электрическим полем. То есть, их заряды не могут течь свободно, но есть возможность распределиться равномерно.
- Если приложить электрическое поле к атому, то оно будет отталкивать электроны. В случае полярных молекул их отрицательные части выровняются от поля, а положительные повернутся к нему.
- Мгновенная поляризация возможна, если ионы распределяются ассиметрично, и одна часть будет превосходить по плотности.
Термины
- Дипольный момент – векторное произведение заряда на любом полюсе диполя и разделяющая их дистанция.
- Диэлектрик – электрически изолирующий или непроводящий материал, рассматриваемый с точки зрения электрической восприимчивости.
- Изолятор – вещество, не транспортирующее тепло, звук или электричество.
Полярность можно осознавать по-разному, потому что перед нами довольно объемное понятие. Его можно применить к молекулам, свету и электрическим полям.
Здесь мы сосредоточимся на диэлектрической поляризации – разделение зарядов в материалах.
Диэлектрики
Диэлектрик – изолятор, который можно поляризовать электрическим полем. То есть, это материал, где заряд лишен свободного перемещения, но при наличии электрического поля может изменить распределение. Положительный заряд переправляется ближе к прикладному полю, а отрицательный сместится. Из-за этого внутри материала формируется слабое локальное поле, противостоящее прикладному.
Разные материалы отличаются реакцией на индуцированное поле. Все зависит от диэлектрической проницаемости. Это постоянная, то есть степень поляризуемости.
Атомная модель
При изучении диэлектриков, рассматривают их заряженные компоненты (протоны и электроны). Если на атом воздействует электрической поле, то электроны будут отдаляться, а протоны останутся относительно открытыми. Такое разделение формирует дипольный момент.
Когда активируется электрическое поле (Е), электроны удаляются от него. Их средняя позиция смещается от среднего положения протонов к дистанции (d). Дипольный момент атома – М
Поляризация диполей
На молекулярном уровне поляризация происходит с диполями и ионами. В полярных связях электроны притягиваются к конкретному ядру сильнее. В качестве примера можно привести воду (Н2О), обладающую изогнутой формой (угол – 104.45°), где кислород вытягивает электронную плотность от атомов Н, оставляя их положительными, а О – отрицательными.
Вода – пример дипольной молекулы, обладающей изогнутой формой (угол Н-О-Н достигает 104.45°), где кислород оттягивает электронную плотность от атомов Н, делая их положительными, а О – отрицательными
После воздействия электронного поля, молекула выравнивается, поворачивая положительный конец к полю, а отрицательный – от него.
Ионная поляризация
Ионные соединения представляют собою стабильно разделенные заряды ионов. Среди примеров можно вспомнить поваренную соль (NaCl), формирующуюся из ионов Na + и Cl. Формально они не связаны друг с другом химической связью, но очень сильно взаимодействуют из-за противоположных зарядов.
Ионы все еще свободны друг от друга и продолжат перемещаться наугад. Если изначально обладали асимметричным движением и приводят к большей концентрации положительных ионов в одной области и отрицательных в другой, то образец ионного соединения будет поляризован (ионная поляризация).
Читайте нас на Яндекс.Дзен
Источник: https://v-kosmose.com/fizika/polyarizatsiya/
Диэлектрики: что это такое, примеры
Определение 1
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
Определение 2
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.
Определение 3
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.
Определение 4
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.
https://www.youtube.com/watch?v=BcN-08nLOXs
Определение 5
У симметричных молекул, таких как, к примеру, O2, N2, 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 H2O, CO) 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 En→≠0 на приведенном участке, то в результате влияния поля заряды с одним знаком уходят внутрь, а с другим, наоборот, выходят наружу.
Вектор поляризации диэлектрика
Определение 6
Поляризованность P→ или, другими словами, вектор поляризованности характеризует степень поляризации диэлектрика:
P→=∆ρ→∆V,
где ∆ρ представляет собой дипольный момент элемента диэлектрика.
Определение 7
В условиях неполярных молекул вектор поляризованности может быть определен в следующем виде:
P→=1∆V∑∆Vρi→=Nρ0→,
где сложение идет относительно всех молекул в объеме △V. N — концентрация молекул,
ρ0→ является индуцированным дипольным моментом (Он один и тот же у всех молекул). ρ0→E→.
Определение 8
Формула поляризованности в условиях полярных молекул принимает вид следующего выражения:
P→=1∆V∑∆Vρi→=Np→,
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.
Определение 9
Ионная решеточная поляризации может быть описана следующей формулой: P→=1∆V∑∆Vρi→=Np→.
В большей части случаев подобная поляризация является анизотропной.
Пример 1
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.
Рисунок 1
+q,−q представляют собой заряды на обкладках конденсатора.
E→ является напряженностью поля, которое формируется обкладками конденсатора.
−q′, +q′- это заряды диэлектрика.
Источник: https://zaochnik.com/spravochnik/fizika/elektricheskoe-pole/dielektriki/
Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики
В электричестве выделяют три основных группы материалов – это проводники, полупроводники и диэлектрики. Основным их отличием является возможность проводить ток. В этой статье мы рассмотрим, чем отличаются эти виды материалов и как они ведут себя в электрическом поле.
Что такое проводник
Вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов, называют проводником. Движение свободных носителей называют тепловым. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) – величина обратная сопротивлению.
G=1/R
Говоря простыми словами – проводник проводит ток.
К таким веществам можно отнести металлы, но если говорить о неметаллах то, например, углерод – отличный проводник, нашел применение в скользящих контактах, например, щетки электродвигателя. Влажная почва, растворы солей и кислот в воде, тело человека – тоже проводит ток, но их электропроводность зачастую меньше, чем у меди или алюминия, например.
Металлы являются отличными проводниками, как раз таки благодаря большому числу свободных носителей зарядов в их структуре. Под воздействием электрического поля заряды начинают перемещаться, а также перераспределяться, наблюдается явление электростатической индукции.
Что такое диэлектрик
Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, или проводят, но очень плохо. В них нет свободных носителей зарядов, потому что связь частиц атома достаточно сильная, для образования свободных носителей, поэтому под воздействием электрического поля тока в диэлектрике не возникает.
Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухая древесина, резина – являются диэлектриками и не проводят электрический ток. В быту диэлектрики встречаются повсеместно, например, из них делаются корпуса электроприборов, электрические выключатели, корпуса вилок, розеток и прочее. В линиях электропередач изоляторы выполняются из диэлектриков.
Однако, при наличии определенных факторов, например повышенный уровень влажности, напряженность электрического поля выше допустимого значения и прочее – приводят к тому, что материал начинает терять свои диэлектрические функции и становится проводником. Иногда вы можете слышать фразы типа «пробой изолятора» — это и есть описанное выше явление.
Если сказать кратко, то основными свойствами диэлектрика в сфере электричества являются электроизоляционные. Именно способность препятствовать протеканию тока защищает человека от электротравматизма и прочих неприятностей. Основной характеристикой диэлектрика является электрическая прочность – величина равная напряжению его пробоя.
Что такое полупроводник
Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных условий – сообщении веществу энергии в нужных количествах.
Это связано с тем, что свободных носителей (дырок и электронов) зарядов слишком мало или их вовсе нет, но если приложить какое-то количество энергии – они появятся. Энергия может быть различных форм – электрической, тепловой.
Также свободные дырки и электроны в полупроводнике могут возникать под воздействием излучений, например в УФ-спектре.
Где применяются полупроводники? Из них изготавливают транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы, светодиоды и прочее. К таким материалам относят кремний, германий, смеси разных материалов, например арсенид-галия, селен, мышьяк.
Чтобы понять, почему полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, нужно рассматривать эти материалы с точки зрения зонной теории.
Зонная теория
Зонная теория описывает наличие или отсутствие свободных носителей зарядов, относительно определенных энергетических слоев. Энергетическим уровнем или слоем называют количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – простых частиц), их измеряют в величине Электронвольты (ЭВ).
На изображении ниже показаны три вида материалов с их энергетическими уровнями:
Обратите внимание, что у проводника энергетические уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это называется зоной перекрытия. В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и прочих факторов количество электронов может изменяться. Благодаря вышеописанному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сообщить им какое-то минимальное количество энергии.
У полупроводника между зоной валентности и зоной проводимости присутствует определенная запрещенная. Ширина запрещенной зоны описывает, какое количество энергии нужно сообщить полупроводнику, чтобы начал протекать ток.
У диэлектрика диаграмма похожа на ту, которая описывает полупроводники, однако отличие лишь в ширине запрещенной зоны – она здесь во много раз большая. Различия обусловлены внутренним строением и вещества.
Мы рассмотрели основные три типа материалов и привели их примеры и особенности. Главным их отличием является способность проводить ток.
Поэтому каждый из них нашел свою сферу применения: проводники используются для передачи электроэнергии, диэлектрики – для изоляции токоведущих частей, полупроводники – для электроники.
Надеемся, предоставленная информация помогла вам понять, что собой представляют проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле, а также в чем их отличие между собой.
Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:
Наверняка вы не знаете:
Источник: https://samelectrik.ru/chto-takoe-provodniki-poluprovodniki-i-dielektriki.html
