19

Лабораторная работа 15-1

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРОВ

1. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков.

Все вещества по электрическим свойствам условно делятся на три группы – проводники, диэлектрики и полупроводники.Диэлектрики отличаются от других веществ прочными связями электрических положительных и отрицательных зарядов, входящих в их состав. Вследствие этого электроны и ионы не могут свободно перемещаться под влиянием приложенной разности потенциалов. К диэлектрикам относятся все газы, многие жидкости, кристаллические, стеклообразные, керамические, полимерные вещества. П олное электрическое поле E в диэлектрике складывается из внешнего поля E₀ и внутреннего поля E¹ создаваемого заряженными частицами вещества. Диэлектрик состоит из атомов и молекул. Положительный заряд всех ядер молекулы равен суммарному заряду всех электронов и молекула в целом электрически нейтральна. Если в отсутствии внешнего электрического поля центры тяжести всех (и положительных и отрицательных) зарядов совпадают, и у молекулы нет дипольного момента, то такие диэлектрики называются неполярными. Под действием внешнего поля заряды неполярных молекул смещаются в противоположные стороны, и молекула приобретает дипольный момент.

Рис. 1. Поляризация неполярного диэлектрика.

Молекулы других веществ обладают дипольным моментом и в отсутствии внешнего электрического поля (полярные молекулы). Но из-за теплового движения дипольные моменты отдельных молекул ориентированы хаотично, их результирующий момент равен нулю.

Рис. 2. Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика.

Третьей группой диэлектриков являются ионные кристаллы, представляющие собой пространственные решетки с чередованием ионов разных знаков. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные не скомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов. Связанные заряды создают электрическое поле E¹ которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности E₀ внешнего поля. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика. В результате полное электрическое поле E = E₀ + E¹ внутри диэлектрика оказывается меньше внешнего поля E₀. Физическая величина, равная отношению модуля напряженности E₀ внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности E полного поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества.

.ε = E₀/E.

Основными механизмами поляризации диэлектриков являются ориентационная и электронная. Ориентационная или дипольная поляризация возникает в случае полярных диэлектриков, состоящих из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи. При отсутствии внешнего электрического поля оси молекулярных диполей ориентированы хаотично из-за теплового движения, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем равен нулю. При внесении диэлектрика во внешнее поле E₀ возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются не скомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле E¹ направленное навстречу внешнему полю E₀.

Электронный или упругий механизм проявляется при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не обладают в отсутствие внешнего поля дипольным моментом. Под действием электрического поля молекулы неполярных диэлектриков деформируются – положительные заряды смещаются в направлении вектора E₀ а отрицательные – в противоположном направлении и каждая молекула превращается в электрический диполь, ось которого направлена вдоль внешнего поля. На поверхности диэлектрика появляются не скомпенсированные связанные заряды, создающие свое поле E¹ направленное навстречу внешнему полю E₀. Так происходит поляризация неполярного диэлектрика. Электрическое поле E¹ связанных зарядов, возникающее при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, изменяется по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля E₀. У многих неполярных молекул при поляризации деформируются электронные оболочки, поэтому этот механизм получил название электронной поляризации. В твердых кристаллических диэлектриков наблюдается ионная поляризация, при которой ионы разных знаков, составляющие кристаллическую решетку, при наложении внешнего поля смещаются в противоположных направлениях, вследствие чего на гранях кристалла появляются связанные (не скомпенсированные) заряды. Примером может служить поляризация кристалла NaCl, в котором ионы Na⁺ и Cl^– составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. В отсутствие внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла NaCl электро нейтральна и не обладает дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки смещаются в противоположных направлениях, т.е. кристалл поляризуется.

Если в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд Q, то напряженность поля E создаваемого этим зарядом в некоторой точке, и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме: E = (1/4πε₀) (Q/εr³), φ = (1/4πε₀) (Q/εr).

Во внешнем электрическом поле в диэлектриках возникает дипольный момент, т.е. происходит поляризация диэлектрика — ориентация диполей или появление новых ориентированных диполей. Различают 3 вида поляризации:

1) электронная поляризация диэлектрика из неполярных молекул, заключающаяся в возникновении у атомов индуцированного дипольного момента за счет деформации электронных орбит;

2) ориентационная поляризация диэлектрика с полярными молекулами, заключающаяся в ориентации дипольных моментов молекул по внешнему полю;

3) ионная поляризация диэлектриков, заключающаяся в смещении подрешетки положительных ионов вдоль поля, а отрицательных — против поля.