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

Диэлектрики в электрическом поле

 Термин «диэлектрик» впервые был введен М.Фарадеем. К диэлектрикам относятся, в первую очередь, электроизолирующие материалы. Однако, многие полупроводники тоже обладают диэлектрическими свойствами. Электроизолирующие материалы препятствуют рассеянию в пространстве энергии электрического тока. Они играют решающую роль в конструировании электрических приборов, аппаратов, линий передачи электроэнергии. Это приводит к необходимости детального изучения процессов, происходящих в диэлектрике под воздействием электрического поля: поляризации, проводимости, электрической прочности и др.

 Изолирующими материалами могут быть газы, жидкости и твердые тела. Число газообразных диэлектриков невелико и наибольшее значение из них имеет воздух. Среди жидких диэлектриков 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, искусственные синтетические материалы.

Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков.

Каждая молекула (или атом) диэлектрика содержит положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны, Подпись:   Рис.1.14. Неполярная молекула:
               а) Е=0, б) Е¹0.

движущиеся вокруг ядер. Молекула электрически нейтральна, так как алгебраическая сумма ее зарядов равна нулю. Однако это не означает, что молекулы не имеют электрических свойств. Если представить все положительные заряды ядер молекулы одним суммарным зарядом +q, а все отрицательные заряды электронов - суммарным зарядом -q, и если центры «тяжести» этих зарядов пространственно не совпадают, то молекулу можно рассматривать как диполь с дипольным моментом . В окружающем пространстве такой молекулярный диполь создает электрическое поле. По электрическим свойствам диэлектрики делятся на три основные группы.

К первой группе относятся диэлектрики с симметричным строением молекулы (N2, H2, O2, CO2, CH4, CCl4, парафин, бензол и другие). В них центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего поля совпадают и =0. Такие молекулы называются неполярными. Неполярную молекулу (или атом) можно схематически представить в виде положительно заряженной центральной области (ядра), симметрично окруженной отрицательно заряженной электронной оболочкой (рис.1.14.а).

Рис.1.15. Неполярный диэлектрик в электростатическом поле.

 Во внешнем электрическом поле происходит деформация электронных оболочек атомов и молекул. «Центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются относительно друг друга (рис.1.14,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 рисунке 1.15, где черными кружками обозначены центры «тяжести» отрицательных зарядов, белыми - центры «тяжести» положительных зарядов. 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 также быстро исчезает при снятии поля.

Подпись:  
Рис.1.16. Полярный диэ¬лек¬трик: а) Е=0, б) в поле Е1, 
в) поле Е2        (Е2>Е1).

Вторую группу диэлектриков составляют вещества с асимметричным строением молекул (H2O, NH3, SO2, CO,...). Центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов в данном случае не совпадают. В отсутствие внешнего электрического поля молекулы обладают дипольным моментом . Молекулы таких диэлектриков называются полярными. Однако, в отсутствие поля оси дипольных молекул в диэлектрике расположены хаотично, что обусловлено тепловым движением (рис.1.16, а). Поэтому диэлектрик в целом неполяризован. Под влиянием электрического поля молекулы начинают ориентироваться вдоль силовых линий. Степень ориентации зависит от свойств диэлектрика, величины напряженности поля  (рис.1.16, б и в, где Е2>Е1) и температуры. С ростом Е и понижением Т устанавливается преимущественная ориентация дипольных моментов по полю, так как хаотическое тепловое движение препятствует их полной ориентации. Боковые грани диэлектрика, перпендикулярные  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. Существует ряд полярных диэлектриков, называемых сегнетоэлектриками, у которых и после снятия поля сохраняется значительная поляризация. Более подробно они будут описаны дальше.

Рис.1.17. Диэлектрик с ионным строением:

  а) Е=0, б) Е¹0.

 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 кристаллах нельзя выделить отдельные молекулы, их необходимо рассматривать как систему двух вдвинутых одна в другую ионных подрешеток (рис.1.17,а).

  В электрическом поле диполи подрешеток деформируются: удлиняются, если их оси направлены по полю и укорачиваются, если оси направлены против поля (рис.1.17,б). Такого рода поляризация называется ионной. Степень ионной поляризации зависит от свойств диэлектрика и от напряженности поля .

Сформулируем правила Киркгофа: Первое правило: алгебраическая сумма сил токов в участках цепи, сходящихся в одной точке разветвления, равна нулю. Второе правило: для любого замкнутого контура сумма всех падений напряжения равна сумме всех ЭДС в этом контуре.
Лабораторная работа по физике Изучение электронного осциллографа