Полярные диэлектрики состоят из молекул у которых

Полярные и неполярные диэлектрики

Согласно воззрениям классической физики диэлектрики коренным образом отличаются от проводников тем, что в обычных условиях свободные электрические заряды в них отсутствуют. Суммарный заряд частиц, образующих молекулы диэлектриков, равен нулю. Однако это вовсе не означает, что молекулы данных веществ не способны проявлять электрических свойств.

Все известные линейные диэлектрики можно разделить на две большие группы: полярные диэлектрики и неполярные диэлектрики. Данное разделение вводится в силу различий в механизмах поляризации молекул каждого типа диэлектриков. На самом деле механизм поляризации оказывается исключительно важным аспектом в изучении как физических и химических свойств диэлектриков, так и в изучении их электрических свойств.

Неполярные диэлектрики

Неполярные диэлектрики называются еще нейтральными диэлектриками, потому что молекулы, из которых данные диэлектрики состоят, отличаются совпадением центров тяжести отрицательного и положительного зарядов внутри них. В результате получается, что молекулы неполярных диэлектриков не имеют собственного электрического момента, он равен нулю. И при отсутствии внешнего электрического поля положительные и отрицательные заряды молекул таких веществ расположены симметрично.

Если же внешнее электрическое поле к неполярному диэлектрику приложить, то положительные и отрицательные заряды в молекулах сместятся от исходного положения равновесия, молекулы превратятся в диполи, электрические моменты которых окажутся теперь пропорциональны напряженности приложенного к ним электрического поля, и будут направлены параллельно полю.

В качестве примеров неполярных диэлектриков, которые с успехом применяются сегодня как электроизоляционные материалы, можно привести следующие: полиэтилен, полистирол, углеводороды, нефтяные электроизоляционные масла и т. д. Также яркими представителями неполярных молекул являются, например, азот, углекислый газ, метан и т. д.

Неполярные диэлектрики благодаря низким значениям тангенса угла диэлектрических потерь находят широкое применение в качестве высокочастотных диэлектриков в конденсаторах, таких как К78-2.

Полярные диэлектрики

У полярных диэлектриков, которые называются также дипольными диэлектриками, молекулы обладают собственным электрическим моментом, то есть молекулы их полярны. Причина в том, что у полярных диэлектриков молекулы имеют асимметричное строение, поэтому центры масс отрицательных и положительных зарядов в молекулах таких диэлектриков не совпадают.

Если в неполярном полимере некоторые из атомов водорода заменить на атомы других элементов или на не углеводородные радикалы, то получится как раз полярный (дипольный) диэлектрик, поскольку симметрия в результате такой замены нарушится. Определяя по химической формуле полярность вещества, исследователю следует, конечно, иметь представление о пространственном строении его молекул.

Когда внешнее электрическое поле отсутствует, оси молекулярных диполей из-за теплового движения ориентированы хаотично, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе его объема электрический заряд в среднем равен нулю. Однако при внесении диэлектрика во внешнее поле возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле направленное навстречу внешнему полю.

В качестве примеров полярных диэлектриков, можно назвать следующие: хлорированные углеводороды, эпоксидные и фенол-формальдегидные смолы, кремнийорганические соединения и т. д. Молекулы воды и спирта, например, также являются яркими примерами полярных молекул. Полярные диэлектрики находят широкое применение в различных областях техники, таких как пьезо- и сегнетоэлектричество, оптика, нелинейная оптика, электроника, акустика и др.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Вопрос 1. Полярные и неполярные диэлектрики. Особенности строения. Свойства

Полярные и неполярные диэлектрики. Неполярные диэлектрики (нейтральные) — состоят из неполярных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают. Следовательно неполярные молекулы не обладают электрическим моментом и их электрический момент p = q • l = 0. Примером практически неполярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных материалов, являются углеводороды, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др.

Полярные диэлектрики (дипольные) — состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают. При замещении в неполярных полимерах некоторой части водородных атомов другими атомами или не углеводородными радикалами получаются полярные вещества. При определении полярности вещества по химической формуле следует учитывать пространственное строение молекул. К полярным диэлектрикам относятся феноло-формальдегидные и эпоксидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др.

Если молекула состоит из двух ионов (K + Сl – ), один из которых положительный, а другой отрицательный, то центры распределения положительного и отрицательного зарядов не совпадают. Такие молекулы и состоящие из них диэлектрики называются полярными.

Если молекула состоит из одного или нескольких одинаковых атомов (например, Н₂), то центры распределения отрицательного и положительного зарядов совпадают, и она называется неполярной молекулой, а диэлектрик – неполярным диэлектриком.

Неполярные атомы и состоящие из них молекулы нейтральны. Полярные молекулы в первом приближении можно считать диполями. Из-за теплового движения полярные молекулы ориентированы беспорядочно, поэтому заряд и напряжённость электрического поля в диэлектрике в среднем равны нулю.

Поместим полярный диэлектрик в однородное электростатическое поле E₀, созданное параллельными пластинами, которым сообщили заряды противоположных знаков. На диполи в однородном поле действует вращающий момент. В результате молекулы-диполи стремятся развернуться вдоль силовых линий. Чем больше напряжённость поля и ниже температура диэлектрика, а значит, и интенсивность хаотического движения, тем выше степень ориентации диполей.

При помещении в электрическое поле неполярных диэлектриков происходит деформация атомов, в результате чего центр распределения положительного заряда смещается по полю, а центр распределения отрицательного заряда – против поля. Так, неполярная молекула превращается в диполь, ось которого сонаправлена с полем, а длина определяется напряжённостью поля.

При внесении диэлектрика в электрическое поле вследствие переориентации или деформации молекул на его поверхностях возникают связанные электрические заряды. Это явление называется поляризацией диэлектрика.

Связанные заряды на поверхности тела создают внутри него электрическое поле E’, направленное противоположно внешнему полю E₀. Результирующая напряженность Е = E₀ + E’ оказывается меньше E₀, т.е. Е = Е₀ – E’ < Е₀. Во сколько раз вещество ослабляет электрическое поле показывает

диэлектрическая проницаемость среды, равная отношению напряжённостей поля в вакууме и в веществе.

Неполярные диэлектрики (нейтральные) — состоят из неполярных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают (рис. 2.19). Следовательно, неполярные молекулы не обладают электрическим моментом и их электрический момент равен нулю.

Примером практически неполярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных, являются углеводородные материалы, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др. Но при замещении в неполярных полимерах некоторой части водородных атомов другими атомами или неуглеводородными радикалами получаются полярные вещества. При определении полярности вещества по химической формуле следует учитывать пространственное строение молекул.

В неполярных однородных диэлектриках наблюдается только электронная поляризация. Если материал является неоднородным, то кроме электронной поляризации в диэлектрике также наблюдается миграционная поляризация.

Полярные диэлектрики (дипольные) — состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают. К полярным диэлектрикамотносятся фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др.

Диэлектрики в электрическом поле.

Диэлектрики (или изоляторы ) — вещества, относительно плохо проводящие электрический ток (по сравнению с проводниками ).

Диэлектрики (или изоляторы) — вещества, относительно плохо проводящие электрический ток (по сравнению с проводниками).

Термин «диэлектрик» (от греч. dia — через и англ. electric — электрический) был введен М. Фарадеем для обозначения веществ, через которые передаются электромагнитные взаимодействия.

В диэлектриках все электроны связаны, т. е. принадлежат отдельным атомам, и электричес­кое поле не отрывает их, а лишь слегка смещает, т. е. поляризует. Поэтому внутри диэлектрика может существовать электрическое поле, диэлектрик оказывает на электрическое поле опре­деленное влияние.

Диэлектрики делятся на полярные и неполярные.

Полярные диэлектрики состоят из молекул, в которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы можно представить в виде двух одинаковых по модулю разноименных точечных зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга, называемых диполем.

Неполярные диэлектрики состоят из атомов и молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов сов­падают.

Поляризация полярных диэлектриков .

Помещение полярного диэлектрика в электростатическое поле (например, между двумя заря­женными пластинами) приводит к развороту и смещению до этого хаотически ориентированных диполей вдоль поля.

Разворот происходит под действием пары сил, приложенных со стороны поля к двум зарядам диполя.

Смещение диполей называется поляризацией. Однако из-за теплового движения происходит лишь частичная поляризация. Внутри диэлектрика положительные и отрицательные заряды диполей компенсируют друг друга, а на поверхности диэлектрика появляется связанный заряд: отрицательный со стороны положительно заряженной пластины, и наоборот.

Поляризация неполярных диэлектриков .

Неполярный диэлектрик в электрическом поле также поляризуется. Под действием электрического поля положительные и отрицательные заряды в молекуле смещаются в противоположные стороны, так что центры распределения зарядов смещаются, как у полярных молекул. Ось наве­денного полем диполя ориентирована вдоль поля. На поверхностях диэлектрика, примыкающих к заряженным пластинам, появляются связанные заряды.

Поляризованный диэлектрик сам создает электрическое поле .

Это поле ослабляет внутри диэлектрика внешнее элект­рическое поле . Степень этого ослабления зависит от свойств ди­электрика. Уменьшение напряженности электростатического поля в веществе по сравнению с полем в вакууме характеризуется относи­тельной диэлектрической проницаемостью среды.

Относительная диэлектрическая проницаемость среды ɛ — это физическая величина, показывающая, во сколько раз модуль напряженности электростатического поля E внутри однородного диэлект­рика меньше модуля напряженности поля E₀ в вакууме:

В соответствии с этим сила взаимодействия зарядов в среде в ɛ раз меньше, чем в вакууме:

.

Что такое полярные и неполярные диэлектрики

В молекулах атомы могут соединяться полярной и неполярной ковалентной связью. На основании этого диэлектрики делятся на полярные и неполярные. Их отличие в том, что при отсутствии электрического поля первые обладают электрическим моментом, а вторые — нет. Поэтому неполярные вещества являются лучшими изоляторами, чем полярные.

Классификация диэлектриков

Диэлектрик — что это

Диэлектрик — это вещество, в котором совсем немного свободных электронов, а электроток, как известно, представляет собой направленное движение заряженных частиц. Именно благодаря тому, что в диэлектриках таких частиц мало, они плохо проводят электричество. Ввел термин британский ученый М. Фарадей. Примеры таких материалов:

• стекло;
• резина;
• дерево (сухое).

Что называют диэлектриками

Особенности неполярных веществ

Внутри молекул неполярных веществ центры тяжести частиц с плюсовым и минусовым зарядом совпадают, поэтому у молекул отсутствует собственный электрический момент. Из-за этого неполярные диэлектрики называют нейтральными. Когда они оказываются под влиянием электрополя, внутри молекул частицы, обладающие зарядом, начинают смещаться от своего первоначального положения равновесия. Благодаря этому процессу молекулы превращаются в диполи с моментами, пропорциональными напряженности внешнего электрополя, а сами диполи ориентируются параллельно полю.

Электрический диполь

К неполярным диэлектрикам относят полиэтилен, полистирол, электроизоляционные масла, а также такие газы, как метан, азот, углекислый газ и пр.

Следовательно, для неполярного диэлектрика характерны неполярные соединения. Можно также сказать, что в нем связи создаются между атомами с разной электроотрицательностью. Форма таких веществ симметрична. Именно симметрия делает субстанцию неполярной.

Разберем на примере углекислого газа. Его формула СО₂.

Строение молекулы углекислого газа

Все атомы в этой молекуле располагаются на одной прямой линии. То есть, это линейная молекула. Помимо того, она обладает двумя связями C-O. Углерод и кислород имеют разную электроотрицательность. Но, несмотря на это, CO₂ неполярное вещество. Причина кроется в том, что молекула линейная. В ней полярность всегда нулевая, следовательно, молекула неполярная.

Особенности полярных веществ

Молекулы полярных или дипольных диэлектриков имеют свой электрический момент. Причина заключается в их асимметричном строении. В полярных молекулах центры масс частиц с плюсовыми и минусовыми зарядами не совпадают.

Свойства диэлектриков

Если диэлектрик не находится под влиянием внешнего электрополя, оси его диполей ориентированы хаотично. При этом электрический заряд на поверхности диэлектрического вещества нулевой. Когда полярное вещество попадает в зону действия электрополя, диполи начинают ориентироваться в определенном порядке. На поверхности вещества скапливаются макроскопические связанные заряды, способствующие образованию поля, направление которого противоположно внешнему полю.

Полярными являются такие вещества, как:

• Хлорированные углеводороды.
• Смолы.
• Кремнийорганические субстанции.

Что такое электроотрицательность

Разделение на полярные и неполярные диэлектрики осуществляют также на основе электроотрицательности. Так называется свойство вещества притягивать к себе электроны. Чем более высокую электроотрицательность имеет атом, тем больше отрицательно заряженных частиц он будет притягивать к себе. Атомы, которые обладают низким показателем, будут частично положительно заряжены.

Так как все электроны притягиваются к элементам с большей электроотрицательностью, в атомах будут оставаться только протоны. Атомы, которые обладают высоким показателем, напротив, будут отрицательно заряжены. К ним будут притягиваться электроны, которые и отвечают за отрицательный заряд. Данное явление физики называют полярностью ковалентной связи.

Зная, что такое электроотрицательность, можно сформулировать другое определение. Полярный классический диэлектрик — это вещество, в котором связи создаются между атомами с разной электроотрицательностью. Чтобы узнать электроотрицательность того или иного вещества, можно посмотреть таблицу относительной электроотрицательности атомов.

Таблица электроотрицательности

Бывают случаи, когда молекула имеет несколько связей. В такой ситуации полярная она или нет, определяют за счет формы молекулы. А за форму отвечает расположение связей. Если вещество состоит из молекул правильной формы, а еще в нем мало электронов, то его можно отнести к полярному виду.

В качестве примера можно рассмотреть молекулу аммиака. В этом веществе отсутствуют электроны, а значит, ток не может проводиться. Молекула состоит из атомов азота и водорода. Первый обладает большой электроотрицательностью, а второй — низкой. Связи имеют тригональную пирамидальную форму.

Молекула аммиака

Поляризация диэлектриков

Поляризация — это перемещение связей зарядов, которое происходит под воздействием внешнего электрического поля. Направление перемещения связей характеризует вектор электрической поляризации.

У неполярных диэлектриков при поляризации электрический момент направлен только вдоль поля. Это явление получило название деформационная поляризация. У полярных веществ молекулы с электрическим моментом ориентируются преимущественно вдоль поля. В данном случае поляризация называется ориентировочной.

Механизм поляризации

Следовательно, среди основных различий между полярными и неполярными диэлектриками нужно, прежде всего, отметить их разную электроотрицательность. Еще одно отличие заключается в том, что по-разному поляризуются молекулы этих веществ. Для полярных диэлектриков характерна деформационная поляризация, а для неполярных — ориентировочная.