Неполярные диэлектрики

Неполярные диэлектрики

Неполярные диэлектрики

Молекула является системой, состоящей из положительных и отрицательных зарядов. При перемещении диэлектрика в электрическое поле, он вызывает смещение зарядов в молекуле, тем самым создает дипольный момент.

Определение 1

Свойство атома или молекулы приобретать дипольный момент во внешнем электрическом поле так же, как и количественная характеристика способности зарядов к смещению, получило название поляризуемость.

Коэффициент поляризуемости молекулы

Существуют вещества, в состав которых входят незаряженные атомы, как у молекулы водорода. Такую неполярную молекулу при отсутствии действия внешнего поля можно сравнить с двумя равномерно заряженными сферами с совпадающими центрами.

Поле равномерно заряженной сферы во внешнем пространстве аналогично полю точечного заряда с той же величиной, что и заряд сферы, перемещенный в ее центр. Электрический момент такой молекулы равняется нулю.

При попадании в электрическое поле заряды начинают смещение относительно друг друга в противоположные стороны. Молекула вызывает электрическое поле, совпадающее с полем диполя.

У такого диполя каждый из точечных зарядов равняется заряду сферы, а его плечо – расстоянию между центрами сфер.

Смещение зарядов в слабых полях считается пропорциональным напряженности внешнего электрического поля. Дипольный момент молекулы pe→ равняется:

pe0→=βεE→' с E→' в качестве напряженности поля, действующего на молекулу (в жидкостях и газах E'→≠E→, E→ считается средним макроскопическим полем). Будет рассмотрен газ, в котором E'→≠E→·β — это коэффициент поляризуемости молекулы, зависящий от строения молекулы.

Определение 2

Формула pe0→=βεE→' используется при работе с молекулами, имеющими сферическую симметрию. Данный тип получил название электронной поляризации.

Если дано, что неполярный диэлектрик находится во внешнем поле, причем локальное равняется среднему полю внутри диэлектрика E'→=E→, то каждая из молекул обладает дипольным моментом pe→, который выражается через формулу pe0→=βεE→'. Вектор поляризованности имеет вид:

P→=nβε0E→ с n в качестве концентрации молекул диэлектрика. Вектор электрического смещения находится из формулы:

D→=ε0E→+P→=ε0E→(1+nβ).

Если диэлектрик изотопный, то

D→=εε0E→.

Отсюда ε=1+nβ.

Применение уравнения говорит о связи диэлектрической проницаемости ε с концентрацией молекул в диэлектрике и поляризуемостью молекул.

Оно приближенное, так как считалось, что электрическое поле, вызывающее смещение зарядов в молекуле, равняется среднему полю в диэлектрике, это не является верным.

Среднее поле E→ способно учитывать действие всех зарядов, поле E'→ выражает их действие кроме рассматриваемой молекулы.

Напряженность локального поля

Для получения выражения диэлектрической проницаемости для плотных диэлектриков, следует произвести нахождение напряженности локального поля E→'. Задача нетривиальна, так как поле зависит от внутренней структуры диэлектрика. Кристаллы с кубической решеткой по модели Лоренца говорит о том, что:

E→'=E→+P→3ε0. P→ учитывается в качестве вектора поляризованности кристалла. Формула приближенно применима для неполярных жидкостей и газов с хаотично располагаемыми молекулами.

Формула E→'=E→+P→3ε0 позволяет вычислять поляризованность плотных диэлектриков. Отсюда вектор поляризованности :

P→=nβε0E→+P→3ε0.

Для вычисления вектора смещения применяют первую часть выражения :

D→=ε0E→+P→=ε0E→+nβε0E→+P→3ε0=ε0E→+13nβD→+2ε0E→.

Формула Клаузиуса-Моссотти

Для изотропного диэлектрика D→=εε0E→, поэтому из формулы выше следует:

Определение 3

ε-1ε+2=nβ3.

Формула получила название формулы Клаузиуса-Моссотти. Она показывает, что слева расположенное выражение для неполярных диэлектриков прямо пропорционально концентрации молекул, то есть и плотности диэлектрика.

https://www.youtube.com/watch?v=BcN-08nLOXs

Это было подтверждено опытным путем. Если n=const, то ε не зависит от температуры, так как β находится в зависимости от строения молекулы.

Пример 1

Оценить атомную диэлектрическую восприимчивость атома водорода β. Направление напряженности внешнего поля перпендикулярно плоскости движения электрона в атоме. Использовать рисунок 1.

Рисунок 1

Решение

Основой решения задачи – условие равновесия движущегося электрона внешнего поля E→:

qE=q24πε0(x2+r2)cos α=q24πε0x(x2+r2)3/2 1.1.

При x≪r:

xx2+r23/2≈xr2(1.2).

Следовательно, формула (1.1) способствует получению

qE=q24πε0xr3→E=q4πε0xr3→qx=E4πε0r3=p (1.3),

где p=qx.

Для неполярных диэлектриков имеем соотношение дипольного момента молекула вида:

pe→=βε0E→, тогда при использовании (1.3), (1.4) для β:

β=4πr3 (1.5).

Нормальное состояние говорит о том, что среднее расстояние электрона от ядра в атоме водорода составит rн=0,53·10-10 м, произведем вычисления:

β=4π(0,53·10-10)≈1,87·10-30 м3.

Ответ: β≈1,87·10-30 м3.

Пример 2

Состав воздуха предположительно из молекул азота и кислорода. Найти средний радиус молекулы воздуха при известном коэффициенте атомной поляризуемости β=1,1·10-29 м3.

Решение

Следует принять за основу выражение, которое связывает β с радиусом неполярной молекулы из предыдущего примера:

β=4πr3.

Необходимо выразить искомый радиус:

r=β4π3.

Подставим числовые значения и получим:

r=1,1·10-294·3,143≈0,96·10-10 (м).

Ответ: радиус молекулы r≈0,96·10-10 (м).

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/elektricheskoe-pole/nepoljarnye-dielektriki/

III. Основы электродинамики

Неполярные диэлектрики

Это такие вещества, в которых нет свободных зарядов. Заряженные частицы не могут двигаться по всему объему тела. Они способны только смещаться на небольшие расстояния относительно своих равновесных состояний. Не проводят электрический ток.

Диэлектрики бывают: полярными, неполярными, кристаллическими.

У полярных диэлектриков молекула такая, что ее ядро и электроны находятся друг от друга на некотором расстоянии, то есть сдвинуты положительный и отрицательный центры. Поэтому молекулу называют электрическим диполем. К полярным диэлектрикам относятся дистиллированная вода, спирт.

У неполярных диэлектриков молекула симметричная. Вещества: парафин, бензол, азот и др.

Диполь отсутствует.

К кристаллическим диэлектрикам относятся такие вещества, у которых кристаллическую решетку можно рассматривать как две подрешетки — с положительными и отрицательными ионами.

Проводники

Это вещества, в которых есть свободные заряженные частицы (электроны, положительные ионы и отрицательные ионы), способные перемещаться по всему объему вещества. Это металлы, растворы солей, кислот и щелочей и др. Эти вещества проводят электрический ток.

Вещества в электрическом поле

При помещении в электростатическое поле полярного диэлектрика, диполи переориентировываются таким образом, что вектор напряженности E' внутреннего поля направлен в противоположную сторону относительно вектора напряженности внешнего поля E0.

Поляризация приводит к ослаблению внешнего электрического поля в раз, где — диэлектрическая проницаемость

Аналогичным образом ведут себя кристаллические диэлектрики.

При помещении во внешнее поле неполярного диэлектрика у нейтральных молекул деформируются электронные облака, происходит электронная поляризация.

При помещении проводника все свободные заряды одного знака устремляются в одну сторону, заряды противоположного знака в противоположную сторону, это явление называется электростатической индукцией. Внутреннее поле, которое при этом образуется внутри проводника «гасит» внешнее поле.

Так как свободные заряды концентрируются по краям, а не во всем объеме вещества, как у диэлектриков, то внутри проводника отсутствует электростатическое поле. Напряженность внутри проводника равна нулю.

Использование этого свойства называется электростатической защитой. Помещенные внутрь проводника тела не будут испытывать действие внешнего электростатического поля, проводник как бы ограждает.

Проводящая сфера

Рассмотрим проводник сферической формы.

Заряды на поверхности распределяются так, что их плотность больше в точках поверхности, обладающей большей кривизной. По поверхности сферы заряд распределяется равномерно.

А что произойдет, если внутрь сферической оболочки поместить заряд? Индукционные заряды возникнут на ее внутренней поверхности. В этом случае внутри сферы поле будет.

Для равномерно заряженной сферой радиусом R и зарядом q на расстоянии r от центра сферы, справедливы формулы:

Заземление

Благодаря своим огромным размерам Земля действует как резервуар зарядов, принимая и отдавая электроны.

Когда мы поднесем к заземленному металлическому предмету отрицательно заряженный стержень, свободные электроны в металле будут отталкиваться и уходить в Землю.

Если отсоединить стержень от этого предмета, на металле останется избыточный положительный заряд. Так мы зарядим тело положительным зарядом.

Различные стадии зарядки тела: а) приближая к шарику электроскопа отрицательно заряженный сургуч, мы вызываем на стержне электроскопа положительный заряд, а на его листках — отрицательный заряд; б) не убирая сургуча с отрицательным зарядом, прикасаемся рукой к шарику электроскопа и отводим часть отрицательного заряда электроскопа через свое тело в землю; листки электроскопа спадают; в) убрав палец, а затем убрав сургуч, мы оставляем на электроскопе только положительный заряд, который распределяется между шариком и листками электроскопа.

Упражнения

К металлическому шару, установленному на электроскопе, одновременно прикасаются наэлектризованной эбонитовой палочкой и рукой. Затем отнимают сначала руку, а потом палочку. Какого знака заряд получит электроскоп?

В результате контакта эбонитовой палочки с шаром электроскоп получит небольшой отрицательный заряд, который через руку уйдет в землю. Так как эбонит – диэлектрик, то на остальных участках палочки, которые не контактировали с шаром, отрицательные заряды останутся неподвижными. Они зарядят электроскоп положительным зарядом.

Как известно, заряженный шарик притягивает бумажку. Как изменится сила притяжения, если окружить металлической сферой заряженный шарик? бумажку?

Если окружить шарик концентрической металлической сферой, ничего не изменится: и шарик и металлическая сфера действуют как заряд, сосредоточенный в точке, находящейся в центре шарика. Если окружить сферой бумажку, сила притяжения обратится в ноль: бумажка попадает в «цилиндр Фарадея», зато теперь металлическая сфера и шарик будут притягиваться друг к другу.

Внутрь полой сферы проводящей незаряженной сферы был помещен шарик с зарядом q, после чего сфера была на короткое время соединена с землей, и затем шарик удален из сферы. Какой заряд будет иметь сфера после этих операций? Где и как будет распределен этот заряд? Где и какое будет существовать электрическое поле?

Заряд q. Он будет распределен равномерно по внешней поверхности сферы. Внутри сферы напряженность поля будет равна нулю. Вне сферы будет существовать электрическое поле, подобное полю точечного заряда q, помещенного в центр сферы.

Имеется полая проводящая незаряженная сфера, внутрь которой помещен положительный заряженный шарик. Укажите: а) Где будет существовать электрическое поле? б) Будут ли появляться заряды на сфере? в) Будет ли меняться поле внутри и вне сферы, если перемещать шарик, если шарик оставить неподвижным, а снаружи к сфере поднести заряженное тело?

а) Поле будет существовать внутри и вне сферы; б) на внутренней поверхности появится отрицательный заряд, на внешней — положительный; в) в первом случае будет изменяться электрическое поле только внутри сферы, во втором — только вне сферы.

Источник: http://fizmat.by/kursy/jelektrichestvo/dijelektrik

Напряженность локального поля

Для того, чтобы получить выражение диэлектрической проницаемости для плотных диэлектриков (жидкостей и твердых тел), необходимо найти напряженность локального поля $\overrightarrow{E'}$.

Что является нетривиальной задачей, так как это поле существенно зависит от внутренней структуры диэлектрика.

Для кристаллов с кубической решеткой по модели Лоренца в разделе «Локальное поле» нами было получено, что $\overrightarrow{E'}$ равно:

\[\overrightarrow{E'}=\overrightarrow{E}+\frac{\overrightarrow{P}}{3{\varepsilon }_0}\left(6\right),\]

где $\overrightarrow{P}$ — вектор поляризованности кристалла. Эту формулу приближенно можно применить к неполярным жидкостям и газам, в которых молекулы расположены хаотично.

Используя формулу (6) можно вычислить поляризованность плотных диэлектриков. В этом случае вектор поляризованности равен:

\[\overrightarrow{P}=n\beta {\varepsilon }_0\left(\overrightarrow{E}+\frac{\overrightarrow{P}}{3{\varepsilon }_0}\right)\left(7\right).\]

Для вектора смещения, используя первую часть выражения (3) получаем равенство:

\[\overrightarrow{D}={\varepsilon }_0\overrightarrow{E}+\overrightarrow{P}={\varepsilon }_0\overrightarrow{E}+n\beta {\varepsilon }_0\left(\overrightarrow{E}+\frac{\overrightarrow{P}}{3{\varepsilon }_0}\right)={\varepsilon }_0\overrightarrow{E}+\frac{1}{3}n\beta \left(\overrightarrow{D}+2{\varepsilon }_0\overrightarrow{E}\right)\left(8\right).\]

Формула Клаузиуса — Моссотти

Так как для изотропного диэлектрика $\overrightarrow{D}=\varepsilon {\varepsilon }_0\overrightarrow{E},$ то из (8), следует, что:

\[\frac{\varepsilon -1}{\varepsilon +2}=\frac{n\beta }{3}\left(9\right).\]

Формула (8), которая называется формулой Клаузиуса — Моссотти, показывает, что для неполярных диэлектриков отношение, стоящее в левой части прямо пропорционально концентрации молекул, и, следовательно, плотности диэлектрика. Что хорошо подтверждается опытом. Помимо этого, если $n=const$, $\varepsilon $ не зависит от температуры, так как $\beta $ зависит только от строения молекулы. Этот факт, так же хорошо согласуется с опытом.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Пример 1

Задание: Оцените атомную диэлектрическую восприимчивость атома водорода ($\beta $). Считать, что напряженность внешнего поля направлена перпендикулярно плоскости движения электрона в атоме (рис.1).

Рис. 1

Решение:

За основу решения задачи примем условие равновесия движущегося электрона во внешнем поле $\overrightarrow{E}:$

\[qE=\frac{q2}{4\pi {\varepsilon }_0(x2+r2)}cos\alpha =\frac{q2}{4\pi {\varepsilon }_0}\frac{x}{{(x2+r2)}{{3}/{2}}}\ \left(1.1\right).\]

Если принять, что $x\ll r$, то получим:

\[\frac{x}{{\left(x2+r2\right)}{{3}/{2}}}\approx \frac{x}{r3}\left(1.2\right).\]

Значит, из (1.1) получим:

\[qE=\frac{q2}{4\pi {\varepsilon }_0}\frac{x}{r3}\to E=\frac{q}{4\pi {\varepsilon }_0}\frac{x}{r3}\to qx=E4\pi {\varepsilon }_0r3=p\ \left(1.3\right),\]

где $p$=$\ qx$. Так как для неполярных диэлектриков мы имеем соотношение для дипольного момента молекулы вида:

\[\overrightarrow{p_e}=\beta {\varepsilon }_0\overrightarrow{E}\left(1.4\right),\]

то используя (1.3) и (1.4) запишем для $\beta $:

\[\beta =4\pi r3\ \left(1.5\right).\]

Так в нормальном состоянии среднее расстояние электрона от ядра в атоме водорода составляет $r_H=0,53\cdot {10}{-10}м$ (Боровский радиус) можно провести вычисления:

\[\beta =4\pi {\left(0,53\cdot {10}{-10}\right)}3\approx 1,87\cdot {10}{-30}\left(м3\right).\]

Ответ: $\beta \approx 1,87\cdot {10}{-30}м3.$

Пример 2

Задание: Воздух в основном состоит из молекул азота и кислорода. Найдите приблизительно, средний радиус молекулы воздуха, если коэффициент атомной поляризуемости $\beta =1,1\cdot {10}{-29}м3$.

Решение:

За основу решения примем выражение, связывающее $\beta $ и радиус неполярной молекулы которое мы получили в предыдущем примере, а именно:

\[\beta =4\pi r3\left(2.1\right).\]

Выразим из него искомый радиус, получим:

\[r=\sqrt[3]{\frac{\beta }{4\pi }}\ \left(2.2\right).\]

Проведем вычисления:

\[r=\sqrt[3]{\frac{1,1\cdot {10}{-29}}{4\cdot 3,14}}\approx 0,96\cdot {10}{-10}\left(м\right).\]

Ответ: Радиус молекулы воздуха в среднем составляет $0,96\cdot {10}{-10}м.$

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektrostatika/nepolyarnye_dielektriki/

Разница между полярным и неполярным диэлектриками

Неполярные диэлектрики

Диэлектрики — это электрические изоляторы. Они не являются проводящими электричество материалами, поскольку у них нет свободных электронов для проведения электричества. Диэлектрик может быть поляризован, применяя электрическое поле. Существует два типа диэлектриков, как полярные диэлектрики и неполярные диэлектрики.

Полярные диэлектрики — это полярные соединения, которые не могут проводить электричество. Неполярные диэлектрики — это неполярные соединения, которые не могут проводить электричество.

Основное различие между полярным и неполярным диэлектриками заключается в том, что полярные диэлектрики имеют асимметричную форму, тогда как неполярные диэлектрики имеют симметричную форму.

Ключевые области покрыты

1. Что такое полярные диэлектрики
— определение, полярность, примеры
2. Что такое неполярные диэлектрики
— определение, полярность, примеры
3. В чем разница между полярным и неполярным диэлектриками
— Сравнение основных различий

Ключевые слова: асимметричные, диэлектрические, изоляторы, неполярные, полярные, полярные, симметричные

Что такое полярные диэлектрики

Полярные диэлектрики — это полярные соединения, которые не могут проводить электричество. Никакой ток не может течь через них, потому что нет свободных электронов для проведения электричества. Основной причиной того, что материал является полярным диэлектриком, является его форма. Форма этих диэлектриков асимметрична.

Когда рассматривается полярная диэлектрическая молекула, полярность молекулы определяется формой или геометрией молекулы. Полярная ковалентная химическая связь образуется, когда два разных атома связаны друг с другом. Различные элементы имеют разные значения электроотрицательности.

Электроотрицательность — это сродство к электронам. Атом с более высокой электроотрицательностью будет притягивать электроны связи к себе.

Тогда атом с более низкой электроотрицательностью получает частичный положительный заряд (из-за дефицита электронов), а более электроотрицательный атом получает частичный отрицательный (из-за высокой плотности электронов). Это то, что мы называем полярностью ковалентной связи.

Если молекула состоит из нескольких полярных ковалентных связей, расположение этих связей (форма молекулы) определяет, является ли она полярной молекулой или нет. Если эта молекула не может проводить электричество, то это полярный диэлектрик.

Рисунок 1: NH3 полярная диэлектрическая молекула

Молекула аммиака является хорошим примером полярного диэлектрика. У него нет свободных электронов, которые могут проводить электричество. Это полярная молекула, потому что атом азота является более электроотрицательным, чем атом водорода, и расположение трех N-H связей является тригональной пирамидальной.

Что такое неполярные диэлектрики

Неполярные диэлектрики — это неполярные соединения, которые не могут проводить электричество. Никакой ток не может течь через них, потому что нет свободных электронов для проведения электричества. Основной причиной того, что материал является полярным диэлектриком, является его форма. Форма этих диэлектриков симметрична.

Неполярные диэлектрические молекулы неполярные, потому что они имеют симметричную геометрию. Например, СО2 представляет собой линейную молекулу, имеющую две связи C-O.

Связь C-O представляет собой полярную связь из-за разницы между значениями электроотрицательности углерода и кислорода. Но, поскольку расположение связей является линейным, чистая полярность равна нулю. Следовательно, это неполярная молекула.

Не проводит электричество. Следовательно, это неполярная диэлектрическая молекула.

Рисунок 2: Бензол — неполярный диэлектрик

Некоторые примеры неполярных диэлектрических соединений включают метан, бензол, диоксид углерода и многие другие неполярные соединения, которые не имеют свободных электронов, способных проводить электричество.

Определение

Полярные диэлектрики: Полярные диэлектрики — это полярные соединения, которые не могут проводить электричество.

Неполярные диэлектрики: Неполярные диэлектрики — это неполярные соединения, которые не могут проводить электричество.

форма

Полярные диэлектрики: Форма полярных диэлектриков асимметрична.

Неполярные диэлектрики: Форма неполярных диэлектриков симметрична.

полярность

Полярные диэлектрики: Полярные диэлектрики являются полярными.

Неполярные диэлектрики: Неполярные диэлектрики неполярные.

Примеры

Полярные диэлектрики: Аммиак и HCl являются хорошими примерами полярных диэлектриков.

Неполярные диэлектрики: Бензол, метан, углекислый газ являются хорошими примерами неполярных диэлектриков.

Заключение

Диэлектрики — это соединения, которые не могут проводить электричество. Эти диэлектрики находятся в виде полярных диэлектриков или неполярных диэлектриков в зависимости от полярности молекул.

Основное различие между полярными диэлектриками и неполярными диэлектриками заключается в том, что полярные диэлектрики имеют асимметричную форму, тогда как неполярные диэлектрики имеют симметричную форму.

Рекомендации:

1. «Диэлектрик». Изучение химии,

Источник: https://ru.strephonsays.com/difference-between-polar-and-nonpolar-dielectrics

Booksm
Добавить комментарий