Электроника Физика Электротехника Полупроводниковые материалы Теория конструктивных материалов Курс черчения Контольная работа

Конспект курса лекций по физике. Электрическое поле

ПОЛЯРНЫЕ И НЕПОЛЯРНЫЕ МОЛЕКУЛЫ. ВИДЫ ПОЛЯРИЗАЦИИ

 Если диэлектрик внести в электрическое поле, то это поле и сам диэлектрик претерпевают существенные изменения. Необходимо учесть, что в составе атомов и молекул имеются положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны. В зависимости от строения, все диэлектрические вещества можно разделить на три большие группы.

1. К первой группе принадлежат диэлектрики, у которых ‘‘центры тяжести’’ положительных и отрицательных зарядов совпадают в отсутствие внешнего электрического поля. Таковы, например, парафин, бензол и ряд других углеводородов, газообразные водород, азот и другие. Электрический момент таких молекул в отсутствие внешнего поля равен нулю и они называются неполярными.

Рис.17.11. Структурные модели неполярных молекул водорода (а) и метана (б).

В неполярных молекулах атомы расположены симметрично.

Рис.17.12. Модель строения

полярной молекулы воды.

2. Вторую группу диэлектриков составляют такие вещества, как вода, нитробензол и др., молекулы которых имеют асимметричное строение. В таких молекулах в отсутствие внешнего электрического поля ‘‘ центры тяжести ‘‘ положительных и отрицательных зарядов не совпадают друг с другом. Такие молекулы называются полярными. Полярные молекулы являются естественными электрическими ди­полями: они обладают вполне определенным электрическим моментом и соз­дают в окружающем пространстве свое собственное поле, но в отсутствие внешнего ориентирующего электрического поля молекулярные диполи ориентированы беспорядочно поэтому электрический момент любого физически малого и всего диэлектрика в целом равен нулю.

 На рис.17.12 изображена модель полярной молекулы воды. Электрический дипольный момент одной молекулы Н2О составляет р=6,1×10-30 Кл×м и является одним из самых больших молекулярных, обеспечивая даже специфическую ‘‘водородную’’ межмолекулярную связь в воде и довольно прочную - в обычном льде. 

3. К третьей группе относятся кристаллические и аморфные диэлектрики, имеющие ионное строение. Например, хлористый натрий, различные модификации углекислого кальция (мрамор), слюда, стекло и т.п.

4. К отдельной группе можно отнести диэлектрики с особыми свойствами: сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты.

 Рассмотрим механизм воздействия внешнего электрического поля на эти различные типы диэлектриков.

1. Под действием внешнего электрического поля неполярные молекулы поляризуются: в них индуцируется электрический момент, направление которого всегда совпадает с направлением внешнего поля.

Рис.17.13. Неполярная молекула во внешнем электрическом поле.

Появление электрического момента обусловлено смещением ‘‘центра тяжести’’ положительных зарядов в направлении поля, а ‘‘центров тяжести’’ отрицательных зарядов - против поля (рис.17.13). В результате этих смещений молекула приобретает электрический момент р и ста­новится подобной электрическому диполю. Смещение электронного распределения, которое приводит к этому типу индуцированного дипольного момента, называется электронной поляризацией.

В слабых полях величина смещения, а, следовательно, и дипольного момента пропорциональна напряженности электрического поля.

Убедимся в этом на примере атома водорода (рис.17.14). Dl - расстояние, на которое смещается под действием внешнего поля орбита электрона. Свяжем это смещение с напряженностью поля (будем считать при этом, что поле перпендикулярно плоскости орбиты и орбита круговая). Движение электрона по окружности при наличии внешнего поля обусловлено совместным действием ядра (сила Fi) и внешнего поля (сила Fe).

Сумма проекций этих сил на направление радиуса r дает величину центростремительной силы:

 Fi × cosa = mw2r, (17.26)

a - угол между плоскостью электронной орбиты и радиус-вектором, проведенным от электрона к ядру;

w - угловая скорость обращения электрона;

r - радиус орбиты;

m - масса электрона.

Сумма проекций этих же сил на направление поля равна нулю (т.к. ускорение электрона в этом направлении отсутствует):

 Fi sina - Fe = 0, (17.27) 

 Fe = e×E, (17.28) 

 Fe - кулоновская сила, действующая на электрон со стороны поля, Е - напряженность поля, е - заряд электрона.

Рис.17.14. Поляризация молекулы.

Установим взаимосвязь величин Dl, r и a.

Из чертежа видно, что

 tga=Dl/r. (17.29)

 Решая совместно уравнения (17.26), (17.27), (17.28), (17.29), найдем, что смещение орбиты электрона относительно ядра равно

 . (17.30) 

Электрический момент атома, обусловленный этим смещением, равен

 . (17.31)

 Откуда следует, что электрический момент, обусловленный смещением электронной орбиты, пропорционален напряженности поля. Для диэлектриков, построенных из неполярных молекул, при помещении их во внешнее электрическое поле, молекула приобретает электрический момент, равный

  р = beоЕ , (17.32)

где b - поляризуемость молекулы.

Сравнивая (17.31) и (17.32), получаем, что для неполярных молекул - это количественная мера возможности индуцировать электрическим полем дипольный момент молекулы.

  Вектор поляризации равен:

 Р = npi = nbeoE, (17.33)

где n - число молекул в единице объема. 

 Таким образом, находим, что диэлектрическая восприимчивость æ равна

  (17.34)

 В многоэлектронных атомах и молекулах картина, несомненно, усложняется, но характер зависимости р от Е остается прежним. Смещение зарядов в неполярных молекулах имеет упругий характер и исчезает вместе с отключением электрического поля. Поэтому неполярные молекулы часто называют ‘‘ упругими’’ или ‘‘мягкими’’ диполями.

Ввиду того, что теория линейных колебаний по указанным выше причинам разработана весьма детально, и ее математический аппарат действует, можно сказать почти автоматически, исследователи стремились изучаемые ими колебания подводить под линейные схемы, отбрасывая часто без должного обоснования нелинейные члены. При этом иногда совершенно упускалось из виду, что такая "линейная" трактовка может привести к существенным ошибкам не толь количественного, но и принципиально качественного характера.

На главную сайта: Курс физики