Что такое полярные и неполярные диэлектрики. Каковы их основные свойства и отличия. Где применяются полярные и неполярные диэлектрики в технике и промышленности. Как ведут себя разные типы диэлектриков в электрическом поле.
Что такое диэлектрики и их основные свойства
Диэлектрики — это вещества, которые практически не проводят электрический ток. Их главное свойство — отсутствие свободных носителей заряда, способных перемещаться по всему объему вещества. В диэлектриках электроны прочно связаны с атомами и не могут свободно перемещаться.
Основные свойства диэлектриков:
- Высокое удельное электрическое сопротивление
- Способность к поляризации в электрическом поле
- Отсутствие свободных носителей заряда
- Способность накапливать электрический заряд
При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле в нем происходит смещение связанных зарядов, что приводит к поляризации вещества. Этот процесс называется диэлектрической поляризацией.
Полярные и неполярные диэлектрики: в чем разница
Все диэлектрики можно разделить на две большие группы — полярные и неполярные. Чем они отличаются?
Полярные диэлектрики
Полярные диэлектрики состоят из молекул, которые изначально обладают электрическим дипольным моментом даже в отсутствие внешнего поля. То есть центры положительных и отрицательных зарядов в таких молекулах изначально смещены относительно друг друга.
Основные свойства полярных диэлектриков:
- Молекулы являются электрическими диполями
- В отсутствие поля диполи ориентированы хаотически
- Во внешнем поле диполи стремятся развернуться вдоль силовых линий
- Сильная зависимость поляризации от температуры
К полярным диэлектрикам относятся вода, спирты, некоторые кислоты и щелочи.
Неполярные диэлектрики
В неполярных диэлектриках молекулы в нормальном состоянии не обладают дипольным моментом. Центры положительных и отрицательных зарядов в них совпадают.
Особенности неполярных диэлектриков:
- Молекулы симметричны, не являются диполями
- Дипольный момент возникает только во внешнем поле
- Поляризация слабо зависит от температуры
- Меньшая диэлектрическая проницаемость, чем у полярных
Примерами неполярных диэлектриков являются парафин, бензол, многие полимеры.
Механизм поляризации разных типов диэлектриков
Как происходит поляризация полярных и неполярных диэлектриков во внешнем электрическом поле?
Поляризация полярных диэлектриков
В отсутствие поля диполи полярных молекул ориентированы хаотически из-за теплового движения. При наложении внешнего электрического поля происходит:
- Ориентация диполей вдоль силовых линий поля
- Частичная компенсация зарядов соседних диполей
- Появление нескомпенсированных связанных зарядов на поверхности
Степень ориентации диполей зависит от напряженности поля и температуры. С ростом температуры поляризация уменьшается из-за усиления теплового движения.
Поляризация неполярных диэлектриков
В неполярных диэлектриках под действием внешнего поля происходит:
- Смещение электронных оболочек атомов относительно ядер
- Образование наведенных дипольных моментов
- Ориентация наведенных диполей вдоль поля
Такой вид поляризации называется электронной. Она практически не зависит от температуры, так как смещение электронов происходит на очень малые расстояния.
Диэлектрическая проницаемость разных типов диэлектриков
Диэлектрическая проницаемость — это физическая величина, характеризующая способность вещества поляризоваться во внешнем электрическом поле. Чем она выше, тем сильнее поляризация диэлектрика.
Как различается диэлектрическая проницаемость у полярных и неполярных диэлектриков?
- Полярные диэлектрики обычно имеют более высокую диэлектрическую проницаемость (ε > 10)
- У неполярных диэлектриков диэлектрическая проницаемость обычно невелика (ε < 5)
- Диэлектрическая проницаемость полярных веществ сильно зависит от температуры
- У неполярных диэлектриков зависимость от температуры слабая
Например, диэлектрическая проницаемость воды (полярный диэлектрик) при комнатной температуре составляет около 80, а у парафина (неполярный) — всего 2.2.
Применение полярных диэлектриков в технике
Благодаря своим уникальным свойствам, полярные диэлектрики нашли широкое применение в различных областях техники и промышленности. Где они используются?
- Конденсаторы — для увеличения емкости и накопления заряда
- Изоляционные материалы в электротехнике
- Сегнетоэлектрики в пьезоэлементах и датчиках
- Электреты для электростатических микрофонов
- Жидкокристаллические дисплеи
- Материалы для СВЧ-техники
Высокая диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков позволяет создавать компактные конденсаторы большой емкости. А их чувствительность к внешним воздействиям используется в различных датчиках и преобразователях.
Использование неполярных диэлектриков
Неполярные диэлектрики также находят широкое применение в технике и промышленности. Основные области их использования:
- Высококачественные изоляторы
- Диэлектрики в конденсаторах постоянной емкости
- Изоляция кабелей и проводов
- Подложки печатных плат
- Корпуса электронных компонентов
- Антистатические покрытия
Неполярные диэлектрики ценятся за стабильность свойств в широком диапазоне температур и частот. Они незаменимы там, где требуется надежная изоляция и минимальные диэлектрические потери.
Сравнение полярных и неполярных диэлектриков
Подведем итоги и сравним основные свойства и характеристики полярных и неполярных диэлектриков:
| Характеристика | Полярные диэлектрики | Неполярные диэлектрики |
|---|---|---|
| Наличие дипольного момента | Есть в отсутствие поля | Возникает только во внешнем поле |
| Диэлектрическая проницаемость | Высокая (ε > 10) | Низкая (ε < 5) |
| Зависимость от температуры | Сильная | Слабая |
| Механизм поляризации | Ориентационная поляризация | Электронная поляризация |
| Типичные представители | Вода, спирты, кислоты | Парафин, полимеры, масла |
Понимание различий между полярными и неполярными диэлектриками позволяет правильно выбирать материалы для конкретных технических задач и оптимально использовать их свойства.
Диэлектрики: полярные, неполярные, кристаллические; проводники. Поведение вещества(заряда) во внешнем элекрическом поле
Физика->Электричество->диэлектрики, проводники->
Тестирование онлайн
Проводники, диэлектрики. Основные понятия
Диэлектрики, сферический проводник
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?
Как известно, заряженный шарик притягивает бумажку. Как изменится сила притяжения, если окружить металлической сферой заряженный шарик? бумажку?
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?
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?
Диэлектрики в электрическом поле.
Полярные и неполярные неполярные диэлектрики- Posted on
- admin
- 03.08.2022
- 0 comments
Диэлектрики в электрическом поле ведут себя не так как проводник, хотя при этом у них есть нечто общее. Диэлектрики отличаются от проводников тем, что в них отсутствуют свободные носители зарядов. Всё-таки они там есть, но в очень малом количестве. В проводниках такими носителями зарядов являются электроны, свободно перемещающиеся вдоль кристаллической решётки металлов. Но вот в диэлектриках электроны прочно связаны со своими атомами и не могут свободно перемещается.
При внесении диэлектрика в электрическое поля в нем наступает электризация также как и в проводнике. Отличие же диэлектриков состоит в том что электроны не могут свободно перемещаться по объёму как это происходит в проводниках. Но под действием внешнего электрического поля внутри молекулы вещества диэлектрика появляется некоторое смещение зарядов.
Все диэлектрики делятся на две категории. Диэлектрики, относящиеся к первой категории, имеют молекулы, которые даже в отсутствии внешнего электрического поля образуют диполи. Они называются полярными. К полярным диэлектрикам относятся вода аммиак ацетон и эфир. Диполи таких диэлектриков в отсутствии поля расположены хаотически вследствие теплового движения. И, следовательно, заряд на поверхности такого вещества равен нулю.
Но при внесении его во внешнее электрическое поля диполи то есть молекула стремятся развернуться вдоль поля. Получается, что положительный заряд предыдущего диполя смотрит на отрицательный следующего. Следовательно, они компенсируют друг друга. Но вот диполям находящимся возле самой поверхности не находится пара.
Таким образом, на поверхности материала образуются нескомпенсированые связанные заряды. С одной стороны положительные с другой отрицательные. Но этому препятствует тепловое движение молекул.
Рисунок 1 — поляризация полярного диэлектрика
Вторая категория диэлектриков это те, у которых внутри молекулы в свободном состоянии есть положительный и отрицательный заряды. Но они находятся так близко друг к другу, что их влияние взаимно компенсируется. Но при внесении такой молекулы в поле заряды сместятся на некоторое расстояние. Таким образом, образуется диполь. На такие молекулы не влияет тепловое движение и, следовательно, поляризация в них не зависит от температуры.
Рисунок 2 — поляризация неполярного диэлектрика
Заряды на поверхности диэлектриков в отличии зарядов индуцированных в проводниках нельзя отделить от поверхности. При снятии электрического поля поляризация пропадёт. Заряды снова перераспределятся в объёме вещества.
Напряжённость поля нельзя увеличивать безгранично.
Так как при определенной величине заряды сместятся настолько, что произойдет структурное изменение материала, проще говоря, пробой диэлектрика. Он в этом случае теряет свои изоляционные свойства.
Полярные и неполярные диэлектрики
Полярные и неполярные диэлектрики являются важным аспектом физики и важной темой в технике, химии и математике.
Примеси в кристаллической решетке могут вызвать изменение поляризации содержащихся в ней молекул. Изучение этой области поможет понять диэлектрики и другие связанные темы, такие как конденсаторы и проводники.
Полярные и неполярные диэлектрики: значение Полярные диэлектрики Полярные диэлектрики представляют собой вещества, притягивающиеся к электрическому полю из-за электрического заряда. Та же полярность притягивает молекулы этих материалов. Материал является диполем или полярным, но вещества притягиваются друг к другу, потому что диполи противоположны по знаку. Полярные диэлектрики должны быть отделены от неполярных диэлектриков, поскольку они имеют разные свойства и поведение.
Основные свойства полярного диэлектрика:
- Диполи разного знака – положительные и отрицательные заряды
- Диполи расположены в одном направлении (два северных полюса вместе или два южных полюса вместе и т. д.)
В неполярных диэлектрических веществах молекулы не поляризованы, и существует бесплатный аттракцион. Кроме того, неполярные вещества не содержат постоянного диполя. Следовательно, молекулы не имеют выравнивания и не создают электрического поля. Их нельзя использовать в качестве диэлектриков в конденсаторах, поскольку они полярны.
Основными свойствами неполярного диэлектрика являются:
- Молекулы в веществе не поляризованы
- Нет выравнивания или порядка расположения молекул
Чтобы понять полярные и неполярные диэлектрики, рассмотрим этот сценарий : Мяч кладут на стол с положительной площадкой на одном конце и отрицательной площадкой на другом.
Если теперь вы бросите мяч, используя электрическое поле, вы обнаружите, что мяч движется в соответствии с направлением вашего электрического поля; много раз было показано, что это происходит из-за взаимодействия между ними.
Если бы вы бросили заряженный футбольный мяч в изолированный стол, он остался бы на столе и не двигался, поскольку является диэлектриком. Однако если вы бросите незаряженный футбольный мяч в маленький стол, он сдвинется, потому что это неполярный материал. То же самое с древесиной, водой или масляными веществами.
И полярные, и неполярные диэлектрики используются по-разному. Например, контрастные материалы идеально подходят для хранения энергии в конденсаторах, хранящих электрические заряды. Тем не менее, их молекулы выстраиваются в одном направлении, что делает их не очень подходящими для других типов проводников, таких как провода.
Применение полярных диэлектриков1) Кристаллы
2) Оптика – изготовление поляризованных линз для уменьшения световых лучей или их концентрации.
3) Изоляция проводов
4) Конденсаторы – накапливают и высвобождают энергию, удерживая электрический заряд батареи.
5) Двухслойные конденсаторы – используются для накопления электрического заряда в пластинах и хранения его для использования. Если конденсатор подключить параллельно другому конденсатору, заряды обоих могут удвоиться.
6) Антистатические устройства — против накопления статического электричества во избежание накопления несбалансированных зарядов. Антистатические устройства используются для предотвращения разрядов статического электричества от одежды, а также от других материалов, которые накапливают статический заряд при трении друг о друга.
Применение неполярных диэлектриков1) Электрическая изоляция (провода)
2) Проводники – аналогичны проводам, но лучше проводят электрический ток. Слой изоляции используется для разделения двух. Проводники используются как для одиночных, так и для нескольких электрических цепей в электронике.
Они используются для уменьшения накопления статического электричества от таких материалов, как одежда и ковры, в электроприборах и телевизорах.
3) Твердотельные реле – используются для переключения потока электричества в электронике. Реле принимают ток, протекающий через одну клемму, ответвляют его через другую клемму, а затем снова направляют его обратно через еще одну клемму.
Значение привлекательности полярных и неполярных диэлектриковБольшую часть времени, когда материал называют диэлектриком, он считается неполярным. Однако в некоторых случаях термин «диэлектрик» также используется для обозначения вещества с электрическим зарядом. Диэлектрики — это вещества, которые стремятся не пропускать через себя заряженные частицы одной полярности, но, в большинстве случаев, сами не имеют электрического заряда.
Заключение Значение диэлектриков и их притяжение друг к другу заключается в том, что они могут использоваться для хранения энергии и имеют различную степень прочности.
Такие материалы, как масло, дерево и вода, полярны, потому что их молекулы выстраиваются и могут накапливать энергию, но не являются очень хорошими проводниками. Другие неполярные материалы, такие как бетон и керамика, содержат невыровненные молекулы, которые не создают электрического поля, в отличие от полярных материалов. Из-за этого часто видно, что когда материал превращается в объект (например, проволоку или камень), он будет иметь большее сопротивление и может выдерживать больше энергии.
Диэлектрики
Диэлектрики Если материал содержит полярные молекулы, они обычно будут иметь случайную ориентацию, когда не будет приложено электрическое поле. Приложенное электрическое поле поляризует материал, ориентируя дипольные моменты полярных молекул.
Наличие диэлектрика уменьшает электрическое поле, создаваемое данной плотностью заряда. Коэффициент k, на который эффективное поле уменьшается из-за поляризации диэлектрика, называется диэлектрической проницаемостью материала.
| Индекс Концепции конденсаторов Концепции диполей | |||
| Назад |
Диэлектрик характеризуется диэлектрической проницаемостью k, и емкость умножается на этот коэффициент.
