Электричество Явление термоэлектричества Полупроводниковый выпрямитель Изучение колебательного контура Постоянный ток Сегнетоэлектрики Пьезоэлектрический эффект Работа и мощность тока.

Измерение диэлектрической проницаемости

Рассмотрены теоретические основы процессов поляризации диэлектриков в электрическом поле и методика выполнения лабораторной работы. Исследование включает измерение поляризованности, диэлектрических потерь и определение зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля.

Цель работы: Изучение поляризации диэлектриков, экспериментальное исследование процессов и параметров поляризации диэлектрика на образце из сегнетоэлектрического вещества.

1.Свойства диэлектриков

1.1.  Полярные и неполярные диэлектрики. Вектор поляризации

Диэлектрики (термин введен Майклом Фарадеем) – это вещества, в которых может длительно существовать электрическое поле. Согласно классическим представлениям диэлектрики при не очень высоких температурах и отсутствии внешнего электрического поля не имеют свободных электрических зарядов. Все электрические заряды внутри диэлектрика являются связанными. Связанными принято называть заряды, входящие в состав атомов и молекул.

Атомы и молекулы диэлектрика содержат равные количества положительных и отрицательных связанных зарядов, поэтому в целом диэлектрик электрически нейтрален. Однако это не означает, что молекулы диэлектрика не обладают электрическими свойствами. В первом приближении молекулу диэлектрика можно рассматривать как диполь. Диполем называется совокупность двух равных по величине разноименных точечных зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга.

Если заменить все положительные заряды молекулы одним суммарным зарядом +q, а все отрицательные - зарядом -q и разместить их в центрах «тяжести» положительных и отрицательных зарядов соответственно, то молекулу диэлектрика можно представить в виде электрического диполя. Основной характеристикой диполя является его электрический дипольный момент

Электрический дипольный момент Pe векторная величина. Молекула вещества, обладающая дипольным моментом, создает в пространстве электрическое поле.

Величина дипольных моментов и характер их взаимной ориентации, поведение во внешнем электрическом поле и без него для разных диэлектриков неодинаковы. Поэтому все диэлектрики можно разделить на три большие группы.

Неполярные диэлектрики состоят из молекул, у которых центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов совпадают, т.е. l = 0 и Pe .= 0. Такие молекулы не имеют собственного электрического дипольного момента при отсутствии внешнего электрического поля. К неполярным диэлектрикам относятся некоторые газы (азот, кислород, водород и пр.), жидкости (толуол, бензол, четыреххлористый углерод и пр.), кристаллические вещества (нафталин, сера). При помещении неполярных диэлектриков во внешнее электрическое поле молекулы диэлектрика претерпевают некоторые изменения. Под действием внешнего электрического поля возникает деформация электронных орбит молекул. Центры «тяжести» отрицательных зарядов смещаются против поля, появляется плечо диполя l ¹ 0, следовательно, в каждой молекуле наводится электрический дипольный момент Pe ¹ 0. Наведенный дипольный момент молекулы совпадает по направлению с внешним электрическим полем. Поляризация такого типа называется деформационной или электронной поляризацией. Возникающие диполи являются упругими, дипольный момент пропорционален напряженности внешнего электрического поля.

Полярные диэлектрики состоят из асимметричных молекул, у которых центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Молекулы полярных диэлектриков обладают дипольным моментом. В отсутствие внешнего электрического поля дипольные моменты ориентированы в пространстве хаотично. Поэтому результирующий дипольный момент диэлектрика равен нулю. Если такой диэлектрик поместить во внешнее поле, то на каждый диполь будет действовать электрическая сила, ориентирующая его вдоль направления внешнего поля. Степень ориентации увеличивается с ростом напряженности внешнего электрического поля и убывает с ростом температуры. Поляризация такого вида называется ориентационной. Помимо ориентационной поляризации в полярных диэлектриках возникает и электронная поляризация, вызванная деформацией электронных орбит. К полярным диэлектрикам относятся жидкости (кислоты, спирты, вода и пр.), многие полимерные материалы, дипольные кристаллы.

Третью группу диэлектриков составляют кристаллические вещества (NaCl, CsCl, KBr и пр)., молекулы которых имеют ионное строение. Во внешнем электрическом поле положительные ионы смещаются по направлению поля, а отрицательные - в противо-положном. Поляризация такого вида называется ионной поляризацией.

Количественной мерой поляризации диэлектрика служит вектор поляризации P или поляризованность диэлектрика, которая определяется как суммарный дипольный момент единицы объема диэлектрика:

 (2)

где n - число диполей в объеме диэлектрика; Pei - дипольный момент i - го диполя;

 V - объем диэлектрика.

Для всех выше рассмотренных диэлектриков в слабых электрических полях поляризованность P линейно зависит от напряженности электрического поля.

 P = c e 0 ×E , (3)

где c- диэлектрическая восприимчивость диэлектрика (c > 0 , безразмерная величина);

 e 0 = 8,85 × 10-12 Ф/м – электрическая постоянная;  E - напряженность электрического поля.

Однако при некотором значении напряженности электрического поля линейная зависимость поляризованности P от напряженности для полярного диэлектрика нарушается, плавно переходя в прямую, имеющую небольшой наклон относительно оси абсцисс (рис.2, кривая б). Участок перегиба кривой б соответствует практически полной ориентации всех дипольных моментов диэлектрика вдоль поля. Наступает «насыщение» поляризованности диэлектрика. Дальнейший монотонный рост поляризованности при увеличении напряженности электрического поля обусловлен продолжением процесса деформации электронных орбит молекул. Как указывалось выше, в полярных диэлектриках помимо ориентационной поляризации возникает и электронная поляризация. Параллельное действие этих процессов наглядно подтверждается ходом кривой б. Для неполярных диэлектриков линейная зависимость поляризованности от напряженности внешнего электрического поля сохраняется и в сильных электрических полях в соответствии с формулой (3), (рис. 2, кривая а)

 


 

Рис. 2. Зависимость поляризованности P от напряженности внешнего поля E для неполярных (а) и полярных (б) диэлектриков

Всякое движение электрических зарядов называют электрическим током. В металлах могут свободно перемещаться электроны, в проводящих растворах - ионы, в газах могут существовать в подвижном состоянии и электроны, и ионы. Условно за направление тока считают направление движения положительных частиц, поэтому в металлах это направление противоположно направлению движения электронов.
Лабораторная работа по физике Изучение электронного осциллографа