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

Конспект курса лекций по физике. Электрическое поле

Поместим теперь в однородное электрическое поле диэлектрик с полярными молекулами.

  Действие однородного электрического поля на полярные молекулы оказывается ориентирующим: поле стремится ориентировать молекулярные диполи так, чтобы их электрические моменты совпали с направлением вектора Е (рис.17.4). Поэтому этот вид поляризации называется ориентационным.

Необходимо отметить, что при приложении поля индуцируется добавочный дипольный момент, связанный с изменением электронной конфигурации (та же электронная поляризация). При точных исследованиях этот эффект учитывается, это совершенно необходимо, если эффекты электронной и ориентационной поляризации сопоставимы по величине.

 Рассмотрим лишь случай, когда ориентационная поляризация является определяющей. Внешнее поле стремится расположить молекулярные диполи упорядоченно, вдоль поля, а тепловое движение нарушает эту ориентацию. По истечении некоторого времени после включения электрического поля наступает динамическое равновесие между этими двумя процессами, в результате чего устанавливается некоторая преимущественная ориентация диполей. Ориентация будет тем совершенней, чем сильнее электрическое поле и чем слабее тепловое движение.

 Выясним факторы, влияющие на степень ориентации диполей в поле. Известно, что в состоянии теплового равновесия относительное число молекул с потенциальной энергией W (24) пропорционально e-W / kT, где W(x,y,z) - потенциальная энергия как функция координат (положения диполя в пространстве). Можно ут­верждать, что, из-за зависимости потенциальной энергии от угла между р и Е (17.24), число молекул, приходящееся на единичный телесный угол и ориентированных под углом a , составляет

  

Для обычных температур и полей показатель экспоненты мал и, разлагая экспоненту в ряд с малым числом членов, можно получить приближенное выражение

  (17.35) 

где no = N / 4p,  N - число молекул в единице объема, 4p - полный телесный угол.

Из (17.35) видно, что вдоль поля (cosa = 1) будет ориентировано больше молекул, чем против поля (cosa = -1).

 Суммарный дипольный момент на единицу объема можно найти, просуммировав компоненты в направлении поля Е:

Можно оценить величину суммы, проинтегрировав по угловому распределению. Телесный угол, отвечающий a, есть 2p×sina×da; тогда

 Р =n(a)×p×cosa×2p×sina×da, учитывая (17.35),

 Р = - N / 2 ×(1+ pEcosa / kT)×p×cosa×d(cosa),

интегрируя, получаем

 Р = Np2E / 3kT. (17.36)

 Таким образом, ориентационная поляризация пропорциональна напряжен­ности ориентирующего поля Е и обратно пропорциональна температуре (при повышении температуры столкновения и колебания больше разрушают выстроенность). Зависимость (17.36) называется законом Кюри. Для диэлектриков, построенных из полярных молекул, сравнивая (17.36) и (17.3), при постоянной напряженности поля, получаем 

 æ = N p2 / 3eokT, т.е. æ ~ 1 /T. (17.37) 

 В заключение следует отметить, что внешнее электрическое поле мало влияет на величину электрического момента полярных молекул (вклад электронной составляющей поляризации весьма невелик). Поэтому полярные молекулы часто называют  ‘‘жесткими’’ или ‘‘твердыми’’ диполями.

 3. При внесении обычных ионных кристаллических диэлектриков во внешнее положительных ионов по полю, а отрицательных ионов - против поля электрическое поле происходит некоторое небольшое смещение (рис.17.2).

Такой диэлектрик в целом также будет обладать дипольным моментом, направленным антипараллельно внешнему полю и пропорциональным величине напряженности последнего. Вектор поляризации для ионных кристаллов определяется общим уравнением (17.3). Необходимо отметить, что и для кристаллических диэлектриков характерна также электронная поляризация, т.е. поляризация кристаллических диэлектриков характеризуется электронными и ионными смещениями. Время установления поляризации электронного смещения (время релаксации) порядка 10-15с, ионного - 10-12¸10-13с, т.е. ионная подвижность в 10¸100 раз меньше, чем электронная, из-за различия в величинах масс ионов и электронов.

  Укажем для примера значения относительной диэлектрической проницаемости e для некоторых часто применяемых веществ:

А. Твердые тела:

 слюда_________________7,

  стекло_________________4¸10 (зависит от химсостава),

 фарфор________________5¸6,

 эбонит________________ 2,8 ,

 кварц плавленый______ _3,7 ,

 дуб сухой______________5,

 каучук________________ 2,5.

  оргстекло______________3¸3,6 , 

 мрамор________________8¸10 ,

фторопласт____________2,5¸2,7  (высокое сопротивление электрическому пробою),

 текстолит__________________7.

Б. Жидкости:

 вода дистиллированная______81,

 глицерин__________________43,

  масло трансформаторное_____2,

 керосин___________________ 2,

 спирт этиловый____________25,7.

Широкое применение в практике электроизоляции  таких материалов, как слюда, трансформаторное масло, фторопласт, винипласт, текстолит  объясняется зачастую не только (и не столько) их высокими диэлектрическими свойствами, сколько высокой диэлектрической прочностью - способностью противостоять электрическому пробою и высокой стабильностью свойств при длительных выдержках в электрическом поле. Прекрасный диэлектрик и недорогой материал - дистиллированная вода - последними свойствами не обладает.

У всех газов диэлектрическая проницаемость мало отличается от единицы, однако диэлектрическая прочность достаточно высока. Например, у сухого воздуха она достигает 30 кВ/cм.

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