Классическая механика Законы Ньютона Движение твердого тела Барометрическая формула Изопроцессы идеального газа Гармонический осциллятор Механические волны Электростатика Поле электрического диполя Емкость плоского конденсатора. Playfortuna бонусы http://fortuna-play.net/pley-fortuna-bonus

Работа и мощность постоянного тока Энергия электромагнитных волн Учебник по физике Магнитное поле кругового тока

Учебник по физике. Конспект лекций и примеры решения задач

ПОЛЯРНЫЕ И НЕПОЛЯРНЫЕ МОЛЕКУЛЫ. ВИДЫ ПОЛЯРИЗАЦИИ

 Если диэлектрик внести в электрическое поле, то это поле и сам диэлектрик претерпевают существенные изменения. Необходимо учесть, что в составе атомов и молекул имеются положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны. В зависимости от строения, все диэлектрические вещества можно разделить на три большие группы.

1. К первой группе принадлежат диэлектрики, у которых ‘‘центры тяжести’’ положительных и отрицательных зарядов совпадают в отсутствие внешнего электрического поля. Таковы, например, парафин, бензол и ряд других углеводородов, газообразные водород, азот и другие. Электрический момент таких молекул в отсутствие внешнего поля равен нулю и они называются неполярными.

Рис.17.11. Структурные модели неполярных молекул водорода (а) и метана (б).

В неполярных молекулах атомы расположены симметрично.

Рис.17.12. Модель строения

полярной молекулы воды.

2. Вторую группу диэлектриков составляют такие вещества, как вода, нитробензол и др., молекулы которых имеют асимметричное строение. В таких молекулах в отсутствие внешнего электрического поля ‘‘ центры тяжести ‘‘ положительных и отрицательных зарядов не совпадают друг с другом. Такие молекулы называются полярными. Полярные молекулы являются естественными электрическими ди­полями: они обладают вполне определенным электрическим моментом и соз­дают в окружающем пространстве свое собственное поле, но в отсутствие внешнего ориентирующего электрического поля молекулярные диполи ориентированы беспорядочно поэтому электрический момент любого физически малого и всего диэлектрика в целом равен нулю.

 На рис.17.12 изображена модель полярной молекулы воды. Электрический дипольный момент одной молекулы Н2О составляет р=6,1×10-30 Кл×м и является одним из самых больших молекулярных, обеспечивая даже специфическую ‘‘водородную’’ межмолекулярную связь в воде и довольно прочную - в обычном льде. 

3. К третьей группе относятся кристаллические и аморфные диэлектрики, имеющие ионное строение. Например, хлористый натрий, различные модификации углекислого кальция (мрамор), слюда, стекло и т.п.

4. К отдельной группе можно отнести диэлектрики с особыми свойствами: сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты.

 Рассмотрим механизм воздействия внешнего электрического поля на эти различные типы диэлектриков.

1. Под действием внешнего электрического поля неполярные молекулы поляризуются: в них индуцируется электрический момент, направление которого всегда совпадает с направлением внешнего поля.

Рис.17.13. Неполярная молекула во внешнем электрическом поле.

Появление электрического момента обусловлено смещением ‘‘центра тяжести’’ положительных зарядов в направлении поля, а ‘‘центров тяжести’’ отрицательных зарядов - против поля (рис.17.13). В результате этих смещений молекула приобретает электрический момент р и ста­новится подобной электрическому диполю. Смещение электронного распределения, которое приводит к этому типу индуцированного дипольного момента, называется электронной поляризацией.

В слабых полях величина смещения, а, следовательно, и дипольного момента пропорциональна напряженности электрического поля.

Убедимся в этом на примере атома водорода (рис.17.14). Dl - расстояние, на которое смещается под действием внешнего поля орбита электрона. Свяжем это смещение с напряженностью поля (будем считать при этом, что поле перпендикулярно плоскости орбиты и орбита круговая). Движение электрона по окружности при наличии внешнего поля обусловлено совместным действием ядра (сила Fi) и внешнего поля (сила Fe).

Сумма проекций этих сил на направление радиуса r дает величину центростремительной силы:

 Fi × cosa = mw2r, (17.26)

a - угол между плоскостью электронной орбиты и радиус-вектором, проведенным от электрона к ядру;

w - угловая скорость обращения электрона;

r - радиус орбиты;

m - масса электрона.

Сумма проекций этих же сил на направление поля равна нулю (т.к. ускорение электрона в этом направлении отсутствует):

 Fi sina - Fe = 0, (17.27) 

 Fe = e×E, (17.28) 

 Fe - кулоновская сила, действующая на электрон со стороны поля, Е - напряженность поля, е - заряд электрона.

Рис.17.14. Поляризация молекулы.

Установим взаимосвязь величин Dl, r и a.

Из чертежа видно, что

 tga=Dl/r. (17.29)

 Решая совместно уравнения (17.26), (17.27), (17.28), (17.29), найдем, что смещение орбиты электрона относительно ядра равно

 . (17.30) 

Электрический момент атома, обусловленный этим смещением, равен

 . (17.31)

 Откуда следует, что электрический момент, обусловленный смещением электронной орбиты, пропорционален напряженности поля. Для диэлектриков, построенных из неполярных молекул, при помещении их во внешнее электрическое поле, молекула приобретает электрический момент, равный

  р = beоЕ , (17.32)

где b - поляризуемость молекулы.

Сравнивая (17.31) и (17.32), получаем, что для неполярных молекул - это количественная мера возможности индуцировать электрическим полем дипольный момент молекулы.

  Вектор поляризации равен:

 Р = npi = nbeoE, (17.33)

где n - число молекул в единице объема. 

 Таким образом, находим, что диэлектрическая восприимчивость æ равна

  (17.34)

 В многоэлектронных атомах и молекулах картина, несомненно, усложняется, но характер зависимости р от Е остается прежним. Смещение зарядов в неполярных молекулах имеет упругий характер и исчезает вместе с отключением электрического поля. Поэтому неполярные молекулы часто называют ‘‘ упругими’’ или ‘‘мягкими’’ диполями.

Объяснение сегнетоэлектричества. В сегнетоэлектриках между молекулами существуют весьма сильное взаимодействие, благодаря которому наиболее устойчивым и энергетически выгодным оказывается состояние с параллельной ориентацией молярных диполей.

ВЕКТОР ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ ИНДУКЦИИ На границе раздела двух диэлектриков с различными e происходит скачкообразное изменение величины и направления вектора напряженности, обусловленное наличием связанных зарядов.

 По своим электрическим свойствам молекулы диэлектрика эквивалентны электрическим диполям, поэтому для понимания явлений в диэлектриках нужно знать, как ведет себя диполь во внешнем электрическом поле.

Поместим теперь в однородное электрическое поле диэлектрик с полярными молекулами. Действие однородного электрического поля на полярные молекулы оказывается ориентирующим: поле стремится ориентировать молекулярные диполи так, чтобы их электрические моменты совпали с направлением вектора Е (рис.17.4). Поэтому этот вид поляризации называется ориентационным.

Потребность в материалах с очень высокой диэлектрической проницаемостью - в сотни и тысячи единиц - привела к поиску и созданию особого класса диэлектрических веществ сегнетоэлектриков или ферроэлектриков.


Основы термодинамики