Диэлектрики в электрическом поле

Диполь в однородном электрическом поле.

 

 

На каждый из зарядов диполя действуют силы: и . Эти силы противоположно направлены и создают момент пары сил – вращающий момент: , где

М – вращающий момент F – силы, действующие на диполь

d – плечо сил l – плечо диполя

p – дипольный момент E – напряжённость

- угол между p и Е q – заряд

Под действием вращающего момента, диполь повернётся и установится по направлению линий напряжённости. Векторы p и Е будут параллельны и однонаправлены.

 

Диполь в неоднородном электрическом поле.

 

 

Вращающий момент есть, значит диполь повернётся. Но силы будут неравны, и диполь будет двигаться туда, где сила больше.

- градиент напряжённости. Чем выше градиент напряжённости, тем выше боковая сила, которая стаскивает диполь. Диполь ориентируется вдоль силовых линий.

 

Собственное поле диполя.

 

 

Но . Тогда:

.

 

Пусть диполь находится в точке О, а его плечо мало. Тогда:

.

Формула получена с учётом:

Таким образом разность потенциалов зависит от синуса половинного угла, под которым видны точки диполя, и проекции дипольного момента на прямую, соединяющие эти точки.

 

Диэлектрики в электрическом поле.

 

Диэлектрик – вещество, не имеющее свободных зарядов, а значит и не проводящее электрический ток. Однако на самом же деле проводимость существует, но она ничтожно мала.

Классы диэлектриков:

¾ с полярными молекулами (вода, нитробензол): молекулы не симметричны, центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают, а значит, они обладают дипольным моментом даже в случае, когда электрического поля нет.

¾ с неполярными молекулами (водород, кислород): молекулы симметричны, центры масс положительных и отрицательных зарядов совпадают, а значит, они не имеют дипольного момента при отсутствии электрического поля.

¾ кристаллические (хлорид натрия): совокупность двух подрешёток, одна из которых заряжен положительно, а другая – отрицательно; в отсутствии электрического поля суммарный дипольный момент равен нулю.

 

Поляризация – процесс пространственного разделения зарядов, появления связанных зарядов на поверхности диэлектрика, что приводит к ослаблению поля внутри диэлектрика.

Способы поляризации:

1 способ – электрохимическая поляризация:

На электродах – движение к ним катионов и анионов, нейтрализация веществ; образуются области положительных и отрицательных зарядов. Ток постепенно уменьшается. Скорость установления механизма нейтрализации характеризуется временем релаксации – это время, в течение которого ЭДС поляризации увеличится от 0 до максимума от момента наложения поля. = 10^-3-10^-2 с.

2 способ – ориентационная поляризация:

 

На поверхности диэлектрика образуются некомпенсированные полярные, т.е. происходит явление поляризации. Напряжённость внутри диэлектрика меньше внешней напряжённости. Время релаксации: = 10^-13-10^-7 с. Частота 10 МГц.

 

3 способ – электронная поляризация:

 

 

Характерна для неполярных молекул, которые становятся диполями. Время релаксации: = 10^-16-10^-14 с. Частота 10⁸ МГц.

 

4 способ – ионная поляризация:

 

 

Две решётки (Na и Cl) смещаются относительно друг друга.

Время релаксации: =10^-8-10^-3с. Частота 1 КГц

 

5 способ – микроструктурная поляризация:

Характерен для биологических структур, когда чередуются заряженные и незаряженные слои. Происходит перераспределение ионов на полупроницаемых или непроницаемых для ионов перегородках.

Время релаксации: =10^-8-10^-3с. Частота 1 КГц

 

Числовые характеристики степени поляризации:

1) вектор поляризованности . Измеряется в Кл/л

2) относительная диэлектрическая проницаемость раз

3) Дисперсия – зависимость от частоты.

 

Электрический ток – это упорядоченное движение свободных зарядов в веществе или в вакууме.

Условия существования электрического тока:

1. наличие свободных зарядов

2. наличие электрического поля, т.е. сил, действующих на эти заряды

Сила тока – величина, равная заряду, который проходит через любое поперечное сечение проводника за единицу времени (1 секунду)

Измеряется в Амперах.

n – концентрация зарядов

q – величина заряда

S – площадь поперечного сечения проводника

- скорость направленного движения частиц.

 

Скорость движения заряженных частиц в электрическом поле небольшая – 7*10^-5 м/с, скорость распространения электрического поля 3*10⁸ м/с.

 

Плотность тока – величина заряда, проходящего за 1 секунду через сечение в 1 м².

. Измеряется в А/м².

 

- сила, действующая на ион со стороны эл поля равна силе трения

- подвижность ионов

- скорость направленного движения ионов =подвижность, напряжённость поля

 

Удельная проводимость электролита тем больше, чем больше концентрация ионов, их заряд и подвижность. При повышении температуры возрастает подвижность ионов и увеличивается электропроводность.