- •Диэлектрики в электрическом поле
- •Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков.
- •Вектор поляризации и диэлектрическая восприимчивость диэлектриков
- •Графики зависимости χ(т) для неполярных и полярных диэлектриков представлены на рисунке.
- •Напряженность электрического поля в диэлектрике.
- •Электрическое смещение. Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике
- •Сегнетоэлектрики
- •Пьезоэлектрический эффект.
- •Энергия заряженного уединенного проводника, конденсатора. Энергия электростатического поля.
- •Энергия конденсатора.
- •Энергия электрического поля. Плотность энергии электричемкого поля.
Диэлектрики в электрическом поле
Диэлектрики – это вещества, не имеющие свободных зарядов. К ним относятся так называемые электроизолирующие материалы, которые препятствуют рассеянию в пространстве энергии электрического тока. Они играют решающую роль в конструировании электрических приборов, аппаратов, линий передачи электроэнергии.
Изолирующими материалами могут быть газы, жидкости и твердые тела. Среди газообразных диэлектриков наибольшее значение имеет воздух, среди жидких - главное место по масштабу применения принадлежит трансформаторному маслу, получаемому переработкой нефти. Группа твердых изоляторов самая многочисленная - это смолы (искусственные и натуральные), растительные волокнистые материалы (из которых вырабатываются ткани, картон, бумага), керамика, синтетические материалы.
Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков.
Каждая молекула (или атом) диэлектрика содержит положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны, движущиеся вокруг ядер. Молекула электрически нейтральна, так как алгебраическая сумма ее зарядов равна нулю. По электрическим свойствам диэлектрики делятся на три основные группы.
К первой группе относятся диэлектрики с симметричным строением молекулы, рис.1а, (N2, H2, O2, CO2, CH4, CCl4, парафин, бензол и другие). В них центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего поля совпадают и электрический дипольный момент равен нулю: =0. Такие молекулы называются неполярными.
Рис. 1.
Во внешнем электрическом поле происходит деформация электронных оболочек атомов и молекул. «Центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются относительно друг друга (рис б). Молекула становится подобной электрическому диполю с плечом l, равным расстоянию между центрами «тяжести» положительных и отрицательных зарядов, и, следовательно, приобретает дипольный момент , называемый индуцированным (наведенным).
Такие молекулы располагаются цепочками вдоль силовых линий поля || , как показано на рис. 2. В результате сам диэлектрик приобретает результирующий электрический момент. Это явление называется поляризацией диэлектрика. В случае неполярного диэлектрика ее называют электронной или деформационной. Электронная поляризация устанавливается очень быстро (за время 10-15с), и быстро исчезает при снятии поля.
Рис. 2
Вторую группу диэлектриков составляют вещества с асимметричным строением молекул (H2O, NH3, SO2, CO,...). Центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов в данном случае не совпадают, молекулы обладают дипольным моментом . Молекулы таких диэлектриков называются полярными. Однако, без внешнего электрического поля оси дипольных моментов молекул расположены хаотично (рис.3 а). Поэтому диэлектрик в целом не поляризован.
Рис.3.
Под влиянием электрического поля молекулы начинают ориентироваться вдоль силовых линий. Степень ориентации зависит от свойств диэлектрика, величины напряженности поля (рис. б и в), где Е2Е1. С ростом напряженности поля Е и понижением температуры Т устанавливается преимущественная ориентация дипольных моментов по полю, так как хаотическое тепловое движение препятствует их полной ориентации. Боковые грани диэлектрика, перпендикулярные вектору приобретают разноименные заряды, а диэлектрик - результирующий электрический момент. Такой вид поляризации называется ориентационной, или дипольной. При снятии внешнего поля поляризация диэлектрика исчезает, так как тепловое движение мгновенно разрушает ориентацию диполей.
В жидких и газообразных полярных диэлектриках в электрическом поле возникают одновременно и ориентационная, и электронная поляризации.
Третью группу диэлектриков составляют вещества с ионным строением (NaCl, KCl, KBr,...). Эти ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков. В электрическом поле положительные ионы смещаются по полю, а отрицательные ионы – против. Такого рода поляризация называется ионной. Степень ионной поляризации зависит от свойств диэлектрика и от напряженности поля .