Специальное предложение

Статью подготовили специалисты образовательного сервиса Zaochnik.

Полярные диэлектрики

Содержание:

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.

Отсюда следует, что происходит поляризация диэлектрика. Такие симметричные молекулы O2, N2 при отсутствии поля имеют совпадающие центры тяжести отрицательных и положительных зарядов. Но у них отсутствует дипольный момент, то есть молекулы неполярны.

Определение 1

Несимметричные молекулы H2O, CO имеют сдвинутые центры тяжести относительно друг друга, поэтому молекулы имеют дипольный момент и получили название полярных.

Порядок основного дипольного момента у большинства молекул диэлектриков равняется 10-29-10-30 Кл·м. То есть KCl обладает 3,5·10-29 Кл·м, а SO2 - 5,3·10-30 Кл·м. Большинство дипольных моментов веществ можно измерить или воспользоваться данными справочников.

Установление равновесия

Определение 2

Дипольный момент p молекулы, находящейся в электрическом поле с напряженностью E, обладает потенциальной энергией, которую можно вычислить по формуле:

W выдает минимальное значение при pE.

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 напряженность увеличивается, дипольные моменты ориентируются вдоль напряженности при p·EkT, то есть при β1 считается, что все дипольные моменты параллельны между собой и относительно поля. Возможна запись дипольного момента с использованием только координатной проекции. Если имеется направленное вдоль оси Z поле, то:

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

Определение 3

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

Поляризация разреженного газа

Если постоянный диэлектрик – это разреженный газ, то считается, что напряженность локального поля E' равняется напряженности внешнего E, то есть E'=E. Поляризованность диэлектрика P можно записать как:

Где n - концентрация молекул, k=1,38·10-23 ДжК - постоянная Больцмана, Т – абсолютная термодинамическая температура. Диэлектрическая проницаемость равняется:

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.

Нужна помощь преподавателя?
Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Если имеется плотный газ или жидкость, то локальное поле не равно внешнему E'E. Для этого стоит учитывать локальное поле, что усложнит расчеты. Вектор поляризации P равняется:

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:

Считается, что роль поляризации молекулы β в полярных молекулах играет p23kTε0. формула (6) запишется:

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

Например, для кристаллов с кубической решеткой. В жидкостях с полярными молекулами эта формула оправдывается плохо. Газообразные диэлектрики с локальным полем равным среднему применима формула (7) с условием ε+23.

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.

Определение 4

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.

Имеются кристаллы, поляризованные в отсутствии поля. Для изучения поведения диэлектриков в электрических полях процесс возникновения поляризации особого значения не имеет. Важно то, что она может проявиться через возникновение некомпенсированных макроскопических зарядов. При неполяризации диэлектриков плотность зарядов ρ и поверхностная плотность σ равняются нулю. Тогда запись результата поляризации примет вид σ0, реже ρ0

Поляризация сопровождается возникновением в тонком поверхностном слое диэлектрика избытка связанных зарядов с одним знаком. При значении перпендикулярной составляющей напряженности поля на выделенном участке поля En0, то под его действием заряды, имеющие один знак, уходят внутрь, а с другим двигаются наружу.

Пример 1

Какой тип поляризации присущ каждому атому и молекуле: H, He, O2, H2O, HCl, CO.

Решение

Предварительно следует вспомнить, что

  • Ориентационная поляризация наблюдается у полярных диэлектриков. Она состоит в повороте осей жесткого диполя вдоль направления линий напряженности поля.
  • Электронная поляризация присуща неполярным диэлектрикам. Проявляется при возникновении у каждой молекулы индуцированного электрического момента.
  • Атомная поляризация может происходить в твердых диэлектриках, имеющих ионные кристаллические решетки. Проявляется при смещении положительных ионов решетки по полю, а отрицательных в противоположную сторону.

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

Вещество Вид поляризации
1. H электронная
2. He электронная
3. O2 электронная
4. H2O электронная, атомная, ориентационная
5. HCl электронная, атомная, ориентационная
6. CO электронная, атомная, ориентационная
Пример 2

Дан дипольный момент молекулы HF, который равен p=6,4·10-30 Кл·м. Расстояние между ядрами атомов l=9,2·10-11 м. Определить заряд диполя. Произвести сравнение с элементарным зарядом, объяснить результат.

Решение

Для дипольного момента применим формулу

p=ql.

Далее следует выразить из p=ql искомый заряд. Получаем:

q=pl.

Подставляем числовые выражение и производим вычисление значения заряда:

q=6,4·10-309,2·10-11=0,696·10-19 (Кл).

Заряд электрона e=1,6·10-19 Кл. HF считается неполярным диэлектриком, обладающим постоянным дипольным моментом. По вычислениям видно, что разница зарядов существенная. Это объясняется нахождением электронного облака рядом с протоном, далее частично смещается к ядру атома фтора. То есть, облако частично принимает участие в образовании дипольного момента.

Ответ: q=0,696·10-19 (Кл).

Навигация по статьям

Выполненные работы по физике
  • Физика

    Конспект урока

    • Вид работы:

      Творческая работа

    • Выполнена:

      24 января 2017 г.

    • Стоимость:

      1 500 руб

    Заказать такую же работу
  • Физика

    Геофизические методы исследования при капитальном ремонте скважин

    • Вид работы:

      Дипломная

    • Выполнена:

      11 апреля 2016 г.

    • Стоимость:

      5 300 руб

    Заказать такую же работу
  • Физика

    9. Аналогия Рейнольдса в процессах теплообмена. Что она дает для понимания процессов теплообмена.

    • Вид работы:

      Реферат

    • Выполнена:

      10 июня 2017 г.

    • Стоимость:

      400 руб

    Заказать такую же работу
  • Физика

    Проблема управления термоядерных реакций. Биологическая защита от радиации.

    • Вид работы:

      Реферат

    • Выполнена:

      25 сентября 2017 г.

    • Стоимость:

      500 руб

    Заказать такую же работу
  • Физика

    Оптические измерительные трансформаторы тока и напряжения.

    • Вид работы:

      Реферат

    • Выполнена:

      25 января 2017 г.

    • Стоимость:

      400 руб

    Заказать такую же работу
  • Физика

    Биомеханика!! Сравнительный анализ современных методов развития координационной выносливости

    • Вид работы:

      Реферат

    • Выполнена:

      8 декабря 2016 г.

    • Стоимость:

      500 руб

    Заказать такую же работу
  • Не получается написать работу самому?

    Доверь это кандидату наук!