Диэлектрики, молекулярное строение, электрический момент

 

Диэлектриком называется вещество, основным электрическим свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле.

Характерной особенностью диэлектриков является наличие сильно связанных положительных и отрицательных зарядов в молекулах, из которых состоит вещество. Из существующих видов связи для диэлектриков, применяемых в электро- и радиотехнике, наиболее типичными являются ковалентная неполярная, ковалентная полярная или гомеополярная, ионная или гетерополярная, донорно-акцепторная. Силы связи определяют не только строение и основные свойства вещества, но и наличие в нём хаотично или упорядоченно ориентированных электрических моментов в микро- или макроскопических объёмах вещества.

Электрический момент появляется в системе из двух одинаковых по величине и разноимённых по знаку электрических зарядов ± q, расположенных на некотором расстоянии l друг от друга, и определяется соотношением

m = ql.

Такую систему зарядов принято называть дипольной, а молекулу, образуемую этой системой зарядов - диполем.

Ковалентная связь возникает при объединении атомов в молекулы, в результате которого происходит обобществление валентных электронов и дополнение внешней электронной оболочки до устойчивого состояния.

Молекулы с ковалентной неполярной связью возникают при объединении одноимённых атомов типа H ₂, О ₂, С l ₂, С, S, Si и т.д. и имеют симметричное строение. В результате совпадения центров положительного и отрицательного зарядов электрический момент молекулы равен нулю, молекула неполярная и вещество (диэлектрик) - неполярное.

Если молекулы с ковалентной связью образуются из разноимённых атомов за счёт обобществления пар валентных электронов, например, Н ₂ О, СН ₄, СН ₃ С l и т.д., то отсутствие или наличие электрического момента будет зависеть от взаимного расположения атомов относительно друг друга. При симметричном расположении атомов и, следовательно, совпадении центров зарядов - молекула будет неполярной. При несимметричном расположении за счёт смещения центров зарядов на определённое расстояние возникает электрический момент, молекула называется полярной и вещество (диэлектрик) - полярным.

Структурные модели неполярных и полярных молекул представлены на рис. 2.1.

Независимо от того, полярный или неполярный диэлектрик, наличие электрического момента в молекулах приводит к возникновению собственного электрического поля в каждом микроскопическом объёме вещества. При хаотической ориентации электрических моментов молекул за счёт их взаимной компенсации суммарное электрическое поле в диэлектрике равно нулю. Если электрические моменты молекул ориентированы преимущественно в одном направлении, то электрическое поле возникает во всём объёме вещества.

Такое явление наблюдается в веществах с самопроизвольной (спонтанной) поляризацией, в частности, в сегнетоэлектриках.

Ионная и донорно-акцепторная связи возникают при образовании вещества из разноимённых атомов. При этом атом одного химического элемента отдаёт, а другой присоединяет или захватывает электрон. В результате образуются два иона, между которыми возникает электрический момент.

Таким образом, по строению молекул можно разделить диэлектрики на три группы:

- неполярные диэлектрики, электрический момент молекул которых равен нулю;

- полярные диэлектрики, электрический момент молекул которых отличен от нуля;

- ионные диэлектрики, в которых электрический момент возникает между ионами химических элементов, составляющих вещество.

Наличие электрических моментов в диэлектриках, независимо от причин их возникновения, определяет их основное свойство - способность поляризоваться в электрическом поле.

 

 

Рисунок 2.1 - Структуры молекул с ковалентной связью

                           2.3.2. Поляризация диэлектриков

 

При отсутствии внешнего электрического поля в диэлектриках, где нет самопроизвольной поляризации, в каждом элементе объёма из-за разупорядоченной ориентации электрических моментов молекул и их взаимной компенсации суммарный электрический момент будет равен нулю. Под действием электрического поля происходит смещение связанных зарядов относительно своих устойчивых положений на небольшие расстояния, т.е. происходит ориентация связанных зарядов внешним электрическим полем. Это явление называется поляризацией.

За счёт упорядочивания расположения связанных зарядов каждый макроскопический элемент объёма будет иметь электрический момент, отличный от нуля и равный сумме всех электрических моментов молекул, находящихся в этом объёме.

Таким образом, электрическая поляризация - это состояние вещества, при котором электрический момент некоторого его объёма отличен от нуля.

На рис. 2.2. схематично показано расположение молекул диэлектрика в неполяризованном (а) и поляризованном (б) состояниях.

                

                                 а                                              б

Рисунок 2.2 - Расположение зарядов в диэлектрике: а -в отсутствие внешнего поля; б - при приложении внешнего поля

 

За счёт ориентации молекул в объёме диэлектрика возникает внутреннее электрическое поле с напряжённостью Е _вн. , которое направлено против внешнего поля Е. В результате суммарное поле в диэлектрике E _Дбудет равно:

                                         E _Д = E - E _вн. > 0                                     (1)

 

Для количественной оценки способности диэлектрика поляризоваться или степени поляризации пользуются макроскопической характеристикой (параметром), называемой диэлектрической проницаемостью e.

Различают абсолютную e * и относительную e диэлектрические проницаемости. Они связаны соотношением

 

                                                      e * = ee ₀,                                    (2)

где e ₀ - электрическая постоянная, равная

 

e ₀= 10^-9/36p [Ф / м ] = 8,85×10 ^-12 [Ф /м] = 8,85 [пФ / м].

 

В технике пользуются относительной диэлектрической проницаемостью, которая является безразмерной величиной и определяется соотношением

                                                   e = e */ e _0.                                                                         (3)

 

С другой стороны, относительная диэлектрическая проницаемость e показывает, во сколько раз ослабляется внешнее поле в диэлектрике за счёт поляризации (из-за возникновения внутреннего поля), т.е.

                                                                                 (4)

 

При рассмотрении двух одинаковых по размерам плоских конденсаторов и определении их ёмкости, когда между обкладками одного из них находится диэлектрик, а у другого - вакуум, можно показать, что ёмкость конденсатора с диэлектриком С _дза счёт поляризации больше, чем ёмкость конденсатора С _обез диэлектрика, где нет поляризации.

Следовательно, относительная диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз увеличивается ёмкость конденсатора с диэлектриком по сравнению с конденсатором того же размера без диэлектрика:

 

                                                         e = С _Д/ С ₀                                         (5)