- •1. Провідники, діелектрики, напівпровідники. 2. Провідники в електростатичному полі. 3. Діелектрики в електростатичному полі. 4. Механізм поляризації діелектриків.
- •Провідники, діелектрики, напівпровідники
- •2. Провідник в електростатичному полі.
- •3. Діелектрики в електростатичному полі.
- •Молекула води полярна і
- •Т еж саме стосується і сфери
- •Механізм поляризації діелектриків.
- •Кристали цих речовин мають решітки з правильним чередуванням і
3. Діелектрики в електростатичному полі.
Відносно терміну діелектрик існує дві версії:
Перша – “ді” на грецькій мові означає “двічі”, подвійно. Отже діелектрик – речовина з двома видами зарядів.
Друга версія – “діа” – в грецькій мові означає “через”.
Майкл Фарадей ввів термін діелектрик для визначення речовин, через які проходять електричне поле, на відміну від провідників, що є екранами.
О обидві версії мають право на існування, але в металах теж існують два види зарядів, що проявляється в поляризації їх.
В обох випадках на поверхнях куль індукуються електричні заряди: тільки і того, що в металах цей заряд більший. Тобто з ції точки зору відмінність між діелектриками і металами суто кількісна.
Але є відміна і якісна: якщо розділити металеву поляризовану кулю, то одержимо дві різнойменно заряджені півкулі.
Якщо теж саме зробити з діелектричною кулею, то одержимо дві поляризованих півкулі.
У металах у зовнішньому полі заряди розділяються просторово, а у діелектриках – має місце зміщення зарядів у межах атома чи молекули.
Деякі молекули діелектриків, наприклад молекула води Н2О, знаходиться в поляризованому стані і без дії зовнішнього поля:
Молекула води полярна і
я вляє собою диполь, на
відміну від симетричних
молекул, які без зовнішнього поля – нейтральні.
В зовнішньому полі полярні молекули переорієнтовуються і діелектрик поляризується.
Діелектрик із симетричними молекулами у зовнішньому полі теж поляризується бо має місце зміщення ядер в один бік, а електронних оболонок в інший.
Найважливішим результатом поляризації діелектриків є зменшення сили взаємодії зарядів у діелектричних середовищах у порівнянні з їх взаємодією у вакуумі. Наприклад у воді таке зменшення близьке до 80 разів. Причина такого явища - “втручання” полярних молекул води у взаємодію зарядів.
Опущені у воду два тіла із зарядами Q і q орієнтують диполі води так, що у сфері радіусом Rеф., що трохи більша за сферу R, результуючий заряд Q′ буде менше за Q, оскільки позитивний заряд Q атому Na буде компенсуватись відємними зарядами молекул води.
Т еж саме стосується і сфери
навколо заряду q. Застосуємо
закон Кулона для обчислення
сили взаємодії зарядів у воді,
к
q´
. Q та q - ефективні заряди
Однак такий підхід визначення сили взаємодії незручний тим, що в іншому діелектрику ефективні заряди Q та q будуть іншими і т.д.
Зручніше ввести у закон Кулона в знаменник “понижуючий” коефіцієнт. Це не що інше, як - діелектрична проникність. - показує, у скільки разів діелектрик ослаблює взаємодію зарядів порівняно з вакуумом
.
Оскільки відомо, що один заряд діє на інший створюючи навколо себе електричне поле , то аналізуючи ослаблення взаємодії зарядів у середовищі дійдемо висновку, що діелектрик зменшує напруженість поля, яке б було у вакуумі .
Механізм поляризації діелектриків.
Типовими для діелектриків є три механізми поляризації.
Пружна електронна поляризація.
Цей механізм найуніверсальніший і полягає у зміщенні в електричному полі з напруженістю ядер і електронних оболонок у протилежних напрямках. Результатом такого зміщення є виникнення невеликого дипольного моменту навіть у тих атомів, що мали строго симетричне розташування зарядів без поля.
Я кщо змістилося на відстань
х від центру і перебуває у рівновазі,
бо на нього діють дві сили:
І – зі сторони електростатичного поля , де - заряд ядра.
ІІ – з боку частини заряду електронної оболонки - вона виділена штриховкою.
Ця частина заряду відноситься до нового заряду оболонки як , тобто .
Умова рівноваги буде .
Обчислення величина х дозволяє написати значення електричного моменту утвореного диполя .
Останню формулу прийнято записувати як: , де .
- пропорційна об’єму атома, чи молекули і називається поляризованістю атома, чи молекули.
Досліди показують, що = min для інертних газів, які погано взаємодіють з речовинами, тобто погано обмінюються валентними електронами, оскільки останні міцно тримаються атомом. Завдяки цьому і поляризованість у них мала.
У лужних металів, зовнішній електрон знаходиться далеко від ядра і має змогу значно віддалятись від нього, атом значно поляризується і = mах.
Оскільки і коли говорить про те, що ми маємо пружний характер зміщення зарядів у атомах. Такий варіант поляризації – пружний. Це - пружна електронна поляризація.
4.2. Поляризація полярних діелектриків.
Абсолютні значення зміщень х у випадку пружної поляризації надзвичайно малі при
У полярних молекул Н2О, NН3, SО2, СО значно більша асиметрія зарядів порівняно зі зміщенням під дією електричного поля. Тому дипольні моменти цих молекул, що існують і без поля, значно більші від індукованого дипольного момента . Тобто поляризація таких речовин полягає в переорієнтації власних моментів Р0 у зовнішньому полі і мало залежить від поляризації .
4.3. Поляризація іонних кристалів.
Кристал NaCl, KCl, KBr.... мають іонний зв’язок у кристалах: NaCl.