Строение диэлектриков

Диэлектриками называются вещества, в которых отсутствуют свободные носители заряда. Различается три вида диэлектриков:

1. Неполярные диэлектрики, в молекулах которых “центры тяжести” положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают друг с другом. Во внешнем электрическом поле “центры тяжести” положительных зарядов смещаются по направлению вектора напряженности, а “центры тяжести” отрицательных зарядов смещаются в противоположном направлении. При этом каждая молекула приобретает электрический дипольный момент

где q – заряд, – вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному, длина которого значительно меньше размеров молекулы. Величина дипольного момента приближенно прямо пропорционально напряженности поля. Такие молекулы подобны упругим диполям.

2. Полярные диэлектрики, в молекулах которых “центры тяжести” положительных и отрицательных зарядов находятся на некотором расстоянии друг от друга даже в отсутствие внешнего электрического поля. Такие молекулы подобны жестким диполям. Величина дипольного момента имеет порядок 10^‑29Кл×м. Во внешнем электрическом поле на каждый жесткий диполь будет действовать вращательный момент, стремящийся повернуть его так, чтобы вектор дипольного момента принял направление, совпадающее с направлением напряженности внешнего поля. Такой ориентации диполей препятствует хаотическое тепловое движение молекул. Поэтому среднее значение проекции векторов дипольных моментов молекул на направление вектора напряженности внешнего поля оказывается примерно пропорциональным напряженности поля E и обратно пропорциональным абсолютной температуре T. Диэлектрик в целом приобретает дипольный момент, направленный вдоль напряженности внешнего поля, величина которого увеличивается с ростом напряженности. Под действием внешнего электрического поля в полярной молекуле наряду с ориентацией по направлению поля, возникает, также как и в неполярной молекуле, смещение “центров тяжести” положительных и отрицательных зарядов вдоль поля. Однако это смещение играет значительно меньшую роль, чем вращение жестких дипольных моментов, и в первом приближении им можно пренебречь.

3. Кристаллические диэлектрики, имеющие ионную структуру, в которых под действием внешнего электрического поля происходит смещение положительных ионов кристаллической решетки по направлению напряженности поля, а отрицательных ионов – против поля.

Происходящая во всех видах диэлектриков ориентация дипольных моментов молекул под действием внешнего электрического поля называется поляризацией диэлектриков. Соответственно, поляризация неполярных диэлектриков называется деформационной, полярных – ориентационной, кристаллических – решеточной. В результате поляризации на поверхности диэлектриков возникают связанные электрические заряды противоположных знаков, которые образуют собственное электрическое поле, вектор напряженности которого направлен противоположно вектору напряженности внешнего поля. В результате этого напряженность E поля в диэлектрике всегда меньше напряженности E _o внешнего поля:

,

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость данного вещества.

Мерой поляризации служит дипольный момент единицы объема диэлектрика, называемый поляризованностью или вектором поляризации:

,

где – векторная сумма дипольных моментов молекул, V – физически малый объем.

Поляризованность P в не слишком сильных полях прямо пропорционально напряженности поля E и численно равна поверхностной плотности связанных зарядов s^¢:

P =i ε_о E = s^¢,

где i – диэлектрическая восприимчивость данного вещества (i = ε – 1), ε _о– электрическая постоянная (ε _о =10^-9/36π ≈8.85^.10^-12Ф/м).

Поляризованность, также как и поверхностная плотность заряда, измеряется в Кл/м².

Описание эксперимента

Экспериментальная часть этой работы включает два опыта. В первом исследуется плоский конденсатор с различными диэлектриками. Схема эксперимента изображена на Рис.3.

Конденсатор С – разборный, С ₀ смонтирован в том же модуле и имеет емкость 10.2нФ. В качестве вольтметров V ₁ и V ₂ используется GDM‑8135, подключенный либо к съемной пластине, либо к точке соединения конденсаторов.

Генератор GFG-8216A выдает синусоидальный сигнал с частотой 2-3кГц.

Конденсаторы С и С ₀ образуют емкостной делитель напряжения. Зная выходное напряжение генератора U и напряжение U ₀ на эталонном конденсаторе С ₀, емкость разборного конденсатора С находят по формуле:

Найдя емкость конденсатора с воздушным зазором С_В, емкость конденсатора с диэлектриком С и считая диэлектрическую проницаемость воздуха за единицу, можно определить диэлектрическую проницаемость ε различных веществ из соотношения:

где d ₀ = 2мм – толщина воздушного зазора, d – толщина диэлектрика.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: