Диэлектрики с полярными и неполярными молекулами

Полярные и неполярные диэлектрики.

Атомы в молекуле диэлектрика могут быть соединены ковалентной связью полярной и неполярной. В связи с этим существует разделение диэлектриков на полярные и неполярные. Различие заключается в том, что неполярные диэлектрики не обладают электрическим моментом в отсутствие электрического поля, а полярные обладают, например ПЭТФ (лавсан). Если на поверхность неполярного диэлектрика положить электроды и подать напряжение, то в каждом атоме вещества произойдет смещение друг относительно друга электрона и ядра. В полярном диэлектрике при тех же условиях ориентация диполей и на поверхности материала появятся заряды. Полярные диэлектрики по сравнению с неполярными обладают значительно более низкими диэлектрическими характеристиками. Неполярные вещества применяются как лучшие диэлектрики. Особенно они важны для устройств, работающих в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ). Полярные вещества применяются там, где допустима изоляция среднего уровня. Электронная поляризация является единственным видом поляризации для неполярных диэлектриков, у которых ε = 2 – 2,5.

Диэлектрические потери в переменном поле.

Потери, обусловленные проводимостью (потери от сквозного тока через диэлектрик). Электропроводность и потери, связанные с электропроводностью, не являются постоянными величинами. Электропроводность зависит от температуры, с ростом которой возрастаетподвижность носителей, и может вырасти их число, например, из-за диссоциации на ионы молекул воды. Этот вид проводимости свойственен всем диэлектрикам (полярным и неполярным). Для неполярных он часто единственный вид диэлектрических потерь. Потери от релаксационных видов поляризации. В этом случае потери вызваны внутренним трением при ориентации диполей. Наиболее значимыми видами потерь данной группы являются дипольно-релаксационные потери для диэлектриков с молекулярным строением и ионно-релаксационные для диэлектриков ионного строения. Особую группу диэлектриков составляют полимеры, так как они состоят из длинных цепных молекул, каждая их которых содержит в себе повторяющиеся элементарные звенья. Подобное строение приводит к тому, что в полимерах могут присутствовать дипольно-сегментальные и дипольно-групповые потери. Дипольно-сегментальные потери вызваны д-с поляризацией, т. е. смещением по направлению электрического поля отдельных отрезков молекул (сегментов). Проявляется этот вид поляризации при температуре большей, чем температура стеклования (температура при которой молекулы приобретают гибкость, а ее отрезки подвижность). Этот вид потерь присущ полярным и неполярным полимерам, а с точки зрения их строения он реализуется для аморфных материалов, а также для аморфных областей кристаллических полимеров. Дипольно-групповые потери вызваны дипольно-групповой поляризацией, которая обусловлена подвижностью полярных групп (–Cl–OH и –F–СООН). Данный вид поляризации свойственен полярным полимерам, аморфным и кристаллическим и проявляется при температуре меньшей температуры стеклования. Ионизационные потери (потери от частичных разрядов) — потери от ионизации газовых включений в твердых и жидких диэлектриках, в первых в виде трещин и пор, а во-вторых в виде пузырьков. Особое место среди диэлектриков занимает целлюлозные материалы и биополимер хитозан, которые содержат поры и воздух во всех своих структурных элементах. Целлюлозные диэлектрики (бумага и картон) используются в пропитанном состоянии для увеличения их электрической прочности. Резонансные потери проявляются при очень высоких частотах, порядка 10 12 – 10 15 Гц, когда период изменения электрического поля соизмерим со временем установления мгновенных типов поляризации. Таким образом, потери при переменном напряжении равны и больше потерь в постоянном электрическом поле и определяются более сложными закономерностями.

1. Электропроводность твердых диэлектриков. В твердых диэлектриках наиболее характерна ионная электропроводность, которая преимущественно обусловлена движением ионов примесей. В кристаллах диэлектриков примеси способствуют ослаблению связей в кристаллической решетке, что приводит к диссоциации самого диэлектрика и появлению собственных носителей заряда. При низких температурах электропроводность твердых диэлектриков обусловлена в основном примесями, а при высоких — собственными носителями, из-за этого возникает излом в зависимости логарифма электропроводности lnγ от обратной температуры. В некоторых случаях изломы могут быть обусловлены различием энергий диссоциаций ионов основного вещества. 1. Зависимость для чисто примесной проводимости.2,3 Зависимость для собственной и примесной проводимостей (для кривой 2 характерно большее содержание примесей).4. Зависимость для чисто собственной проводимости.Для малых температурных интервалов объемное сопротивление можно вычислить по формуле:, где ρ₁ и ρ₂ – удельные сопротивления при температурах t₁ и t₂ соответственно. α – коэффициент, зависящий от природы диэлектрика: для органических диэлектриков α = 0,03 – 0,04, а для неорганических α = 0,01 – 0,015.

1. Слюда.

Слюды представляют группу сложных слоистых алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных металлов, имеющих кристаллическую структуру. Характерной особенностью кристаллов слюды является способность расщепляться на тонкие платины толщиной до 5 мкм. Существует около тридцати различных типов слюды, однако лишь три из них находят широкое промышленное применение. Мусковит и флогопит применяются в электро- и радиотехнике как диэлектрики, вермикулит используется в строительстве как теплоизоляционный материал. Фактически химический состав природных слюд значительно сложнее, в результате замещений в них присутствуют также другие элементы (оксиды металлов, фтор, хлор). Крайне нежелательные примеси — магнитные окиси железа (магнетит). Примеси в основном залегают по плоскостям спайности, что ведет к резкому снижению свойств в этом направлении. Помимо высокой нагревостойкости слюдам присуща высокая короностойкость (10 класс) Данное качество очень важно для материалов, применяемых в высоковольтных установках. Для слюд характерна высокая стойкость к механическому истиранию, что имеет большое значение для изоляции электрических машин из-за наличия в них вращающихся деталей. Слюда расщепляется до пластинок, толщина которых 5-45 мкм, полученная щипаная слюда используется для производства клееной слюдяной изоляции. Путем склейки слюды связующим изготавливают широкую гамму различных композиционных материалов. Расщепление пластин площадью более 10 см 2 осуществляется вручную. Из лучших сортов мусковита изготавливают штамповкой пластин прямоугольного формы (слюда конденсаторная), а также фасонные детали для различных электронных приборов и телевизоров. Помимо этого, широкое распространение получили композиционные материалы на основе слюдяных бумаг (слюдинитовой и слюдопластовой), применение которых позволяет исключить ручной труд и полностью механизировать производство, повысить электрическую прочность (измельченные частицы слюды более плотно укладываются в материале по сравнению со щипаной слюдой) и геометрические размеры (площадь) диэлектрика.

Полярные и неполярные молекулы. Поляризация диэлектриков. Вектор поляризации. Электрическое поле диэлектриков.

Свободные заряды, имеющиеся в любом проводнике, перемещаются под действием внешнего электрического поля и спустя очень малый промежуток времени создают поле, полностью компенсирующее внешнее. Поэтому напряженность электрического поля внутри проводника (при отсутствии тока) равна нулю.

Термин “диэлектрики” был введен Фарадеем. Диэлектриком является любая среда (газ, жидкость или твердое тело), в которой длительное время может существовать электрическое поле. В отличие от проводников в диэлектриках отсутствуют свободные электрические заряды. Т.е. диэлектриками называют тела в которых заряды не могут перемещаться из одной части в другую.

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 равен нулю. 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. Атомы и молекулы диэлектрика содержат равные количества положительных и отрицательных микроскопических зарядов и в целом электрически нейтральны. В зависимости от строения все диэлектрические вещества можно разделить на три большие группы.

1. К первой группе принадлежат диэлектрики, состоящие из молекул, у которых “центры тяжести” положительных и отрицательных зарядов совпадают (например, бензол и др). Молекулы таких диэлектриков в отсутствие внешнего электрического поля не обладают дипольным моментом (рис.14.1.а). Во внешнем электрическом поле “центы тяжести” положительных и отрицательных (электронных оболочек) зарядов молекулы смещаются в противоположные стороны на некоторое расстояние L, малое по сравнению с размерами молекулы (рис.14.1 б). Каждая молекула при этом становится полярной (дипольной), подобной электрическому диполю и приобретает дипольный электрический момент Такого рода поляризация называется электронной. При помещений диэлектрика в электрическое поле все неполярные молекулы превращаются в дипольные, расположенные цепочками вдоль силовых линий поля (рис.14.2). В результате торцы диэлектрика приобретают разноименные заряды — диэлектрик поляризуется. Степень электронной поляризации зависит от его свойств и от величины напряженности поля .

1. Вторую группу диэлектриков составляют такие вещества, как вода, нитробензол и др. В таких веществах молекулы всегда (ив отсутствие внешнего поля) несимметричны, т.е. являются дипольными. Благодаря тепловому движению дипольные молекулы расположены в диэлектрике беспорядочно (рис.14.3 а). Поэтому диэлектрик в целом оказывается не поляризованным. Под влиянием электрического поля все дипольные молекулы диэлектрика повернутся так, что их оси расположатся приблизительно вдоль силовых линий поля (рис.14.3 б). Такого рода поляризация называется ориентационной или дипольной поляризацией. Полной ориентации препятствует тепловое движение.

1. К третьей группе относятся кристаллические диэлектрики, имеющие ионное строение (хлористый натрий, хлористый калий и др). У кристаллических диэлектриков с ионной решеткой каждая пара соседних разноименных ионов подобна диполю (рис. 14.4.а) В электрическом поле эти диполи деформируются: удлиняются, если их оси направлены по полю, и укорачиваются, если оси направлены против поля. В результате диэлектрик поляризуется. Введем величину, характеризующую степень поляризации диэлектрика. Если просуммировать все дипольные моменты диэлектрика в единице объема, то получим вектор поляризации

Для определения степени поляризации в точке необходимо ΔV устремить к нулю. Вектор направлен вдоль электрического поля , в котором находится диэлектрик. Для не слишком сильных полей можно принять, что величина вектора поляризации пропорциональна величине напряженности поля, т.е. Р~Е

В системе СИ вектор поляризации

где — называется диэлектрической восприимчивостью вещества и зависит от его строения.

В чем отличие поляризации диэлектриков с полярными и неполярными молекулами?

В полярных молекулах возникает момент дипль-диполь, в неполярных — наведенный диполь-наведенный диполь.
Другими словами, в полярных молекулах у молекул уже есть как бы свои «плюсы» и «минусы», при поляризации просто усиливается их величина, а в неполярнох их нет, они периодически возникают при изменении конфигурации электронных орбиталей, постоянно происходящей во времени, а под действием поляризации фиксируются в том положении, вкотором они были на моент ее приложения.
При 2 поляризациях со снятием дипольного момента между ними в полярных молекулах плюсы и минусы оба раза придутся на одни и те же молекулы, а в неполярных — как повезет.

Остальные ответы

«Диэлектрики — это вещества, которые практически не проводят электрический ток. Поведение диэлектриков в электрическом поле определяется их внутренним строением. Как известно, мельчайшей частицей вещества, сохраняющей его химические свойства, является молекула. Молекулы состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны. В целом молекулы нейтральны.. »
«Для каждого рода зарядов — положительных (ядер) и отрицательных (электронов) — можно найти такую точку, которая будет являться как бы их «электрическим центром тяжести». Эти точки называются полюсами молекулы.. »
«Для описания макроскопических электрических свойств диэлектриков достаточно ограничиться представлением о том, что в них отсутствуют свободные носители заряда, и при помещении диэлектрика в электрическое поле в материале возбуждается множество микроскопических диполей. В случае неполярных молекул это происходит путем смещения в пределах молекул их положительных зарядов в направлении внешнего поля и отрицательных в противоположном направлении (рис. 5.1).»

«Приобретаемый молекулой дипольный момент пропорционален напряженности поля, в котором находится молекула.. «

Курс лекций, модуль 6

Диэлектриками или изоляторами называются вещества, не способные проводить электрический ток. Диэлектрики проводят ток в 10 – 10 раз хуже, чем проводники.

Если диэлектрик внесен в ЭП, то и поле и сам диэлектрик претерпевают существенные изменения. Почему это происходит? Каково строение диэлектриков?

Диэлектрик состоит из атомов и молекул. Положительный заряд сосредоточен в ядрах атомов, а отрицательный в электронных оболочках атомов и молекул. Молекула в целом электрически нейтральна: положительный заряд всех ядер молекул равен суммарному заряду электронов. Если поместим заряд +Q в центр тяжести положительных зарядов, а (-Q) -в центр тяжести отрицательных зарядов, тогда молекулу можно рассматривать как электрический диполь.

Электрический диполь – система состоящая из двух одинаковых по модулю разноименных точечных зарядов -q, +q, находящихся на расстоянии L друг от друга

где – плечо диполя, – направлен по оси диполя от -q к +q. Различают диэлектрики с полярными и неполярными молекулами.

Диэлектрики, молекулы которых имеют симметричное строение, а центры “тяжести“ (+Q) и (-Q) зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают, имеют дипольный момент молекулы =0. Молекулы таких диэлектриков называют неполярными.

К таким диэлектрикам относят: , , , , .

Ко 2-ой группе диэлектриков (, , , ) относятся вещества, молекулы которых имеют асимметричное строение, центры тяжести зарядов разных знаков сдвинуты относительно друг друга и эти молекулы в отсутствии внешнего эл. поля обладают дипольным моментом. Но в отсутствии внешнего электрического поля вследствие теплового движения дипольные моменты полярных молекул хаотично ориентированы в пространстве и их результирующий момент равен 0.

При помещении диэлектрика с полярными молекулами во внешнее электрическое поле, силы поля стремятся повернуть диполи вдоль поля , что приводит к возникновению отличного от 0 результирующего момента .

Третья группа диэлектриков (,,) -вещества, имеющие ионное строение. Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков. Эти кристаллы можно рассматривать как систему двух вдвинутых одна в другую ионных подрешеток. При внесении ионного кристалла во внешнее электрическое поле, кристаллическая решетка деформируется, возникает дипольный момент.

Итак: внесение всех 3 групп диэлектриков во внешнее электрическое поле приводит к возникновению отличного от 0 электрического момента диэлектрика.

Явление ориентации диполей, или появления под воздействием электрического поля ориентированных по полю диполей, называется поляризацией диэлектрика.

Под действием внешнего электрического поля диэлектрик поляризуется, его результирующий дипольный момент становится отличным от 0. Для характеристики степени поляризации диэлектрика возьмем дипольный момент единицы объема. Если поле или диэлектрик неоднороден , то степень поляризации в разных точках диэлектрика будет различна. Выделим заключающий в себе эту точку физически бесконечно малый объем , найдем сумму – моментов ,заключенных в этом объеме молекул , и тогда

– векторная величина , определяемая формулой (50.1) называется поляризованностью диэлектрика. Этот вектор численно равен дипольному моменту единицы объема вещества.

Если поле или диэлектрик однороден, то

Из опыта следует, что для большого класса диэлектриков (исключая сегнетоэлектрики) поляризованность линейно зависит от напряженности поля: ( не слишком велико, а диэлектрик изотропный)

где (каппа) — диэлектрическая восприимчивость диэлектрика (безразмерная физ. вел.), всегда >0. Для воды =80, для спирта = 25. — характеризует свойства самого диэлектрика.

Рассмотрим, что произойдет, если внесем диэлектрик во внешнее эл. поле.

Пусть однородное поле создается двумя бесконечными параллельными разноименными заряженными плоскостями. Под действием поля диэлектрик поляризуется.

Заряды, входящие в состав молекул диэлектрика, называются связанными. Связанные заряды под действием поля могут лишь немного смещаться из своих положений равновесий.

Покинуть пределы молекулы, в состав которых они входят связанные заряды не могут.

Заряды, находящиеся в пределах диэлектрика, но не входящие в состав его молекул, а так же заряды, расположенные за пределами диэлектрика, будем называть сторонними.

Под действием поля на грани диэлектрика, обращенной к отрицательной заряженной плоскости — будет избыток положительного заряда с поверх. плотностью , а на другой грани — избыток отрицательного заряда с .

, — поверх плотности связанных зарядов.

Тогда поле в диэлектрике является суперпозицией полей связанных и сторонних зарядов.

Поверхностная плотность связанных зарядов < , следовательно не все поле компенсируется полем зарядов диэлектрика: часть линий напряженности пройдет сквозь диэлектрик , а другая часть линий обрывается на связанных зарядах.

Поляризации диэлектрика вызывает в нем уменьшение напряженности результирующего поля по сравнению с внешним полем. Пусть поле вне диэлектрика имеет напряженность

Появление связанных зарядов приводит к возникновению дополнительного электрического поля –

которое направлено против внешнего поля (поля, создаваемого свободными зарядами) и ослабляет его. — результирующее поле внутри диэлектрика: