Неполярные диэлектрики примеры. Неполярные диэлектрики: свойства, примеры и поведение в электрическом поле

Что такое неполярные диэлектрики. Каковы основные характеристики неполярных диэлектриков. Какие вещества относятся к неполярным диэлектрикам. Как ведут себя неполярные диэлектрики в электрическом поле. Чем отличаются неполярные диэлектрики от полярных.

Что такое неполярные диэлектрики и их основные свойства

Неполярные диэлектрики — это вещества, молекулы которых в отсутствие внешнего электрического поля не обладают электрическим дипольным моментом. Основные свойства неполярных диэлектриков:

• Симметричное распределение заряда в молекулах
• Отсутствие постоянного дипольного момента молекул
• Низкая диэлектрическая проницаемость (обычно 2-3)
• Слабая зависимость диэлектрической проницаемости от температуры
• Малые диэлектрические потери

Примеры неполярных диэлектриков

К неполярным диэлектрикам относятся следующие вещества:

• Углеводороды (метан, этан, пропан и т.д.)
• Инертные газы (гелий, неон, аргон)
• Кислород O₂
• Азот N ₂
• Полиэтилен
• Полистирол
• Тефлон
• Парафин
• Бензол
• Нефтяные масла

Строение молекул неполярных диэлектриков

Молекулы неполярных диэлектриков имеют симметричное строение, при котором центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Рассмотрим некоторые примеры:

Молекула метана CH₄

В молекуле метана атом углерода находится в центре правильного тетраэдра, в вершинах которого расположены атомы водорода. Благодаря такой симметричной структуре дипольный момент молекулы равен нулю.

Молекула бензола C₆H₆

Молекула бензола имеет форму правильного шестиугольника, в вершинах которого чередуются атомы углерода и водорода. Такая плоская симметричная структура обеспечивает отсутствие дипольного момента.

Поведение неполярных диэлектриков в электрическом поле

При помещении неполярного диэлектрика во внешнее электрическое поле происходят следующие процессы:

1. Смещение электронных оболочек атомов относительно ядер
2. Появление наведенных дипольных моментов у молекул
3. Ориентация наведенных диполей вдоль силовых линий поля
4. Возникновение поляризации диэлектрика

Важно отметить, что в неполярных диэлектриках происходит только электронная поляризация, связанная со смещением электронов. Это приводит к быстрому установлению поляризации (за время порядка 10^-15 с) и ее исчезновению после снятия поля.

Отличия неполярных диэлектриков от полярных

Основные отличия неполярных диэлектриков от полярных:

Характеристика	Неполярные диэлектрики	Полярные диэлектрики
Дипольный момент молекул	Отсутствует	Присутствует постоянно
Механизм поляризации	Только электронная	Электронная и ориентационная
Скорость поляризации	Высокая	Низкая (зависит от температуры)
Диэлектрическая проницаемость	Низкая (2-3)	Высокая (до 100 и выше)
Зависимость ε от температуры	Слабая	Сильная

Применение неполярных диэлектриков

Неполярные диэлектрики широко применяются в различных областях техники благодаря своим свойствам:

• Изготовление высокочастотной изоляции (полиэтилен, фторопласт)
• Производство конденсаторов (полистирол, полипропилен)
• Создание изоляционных покрытий (парафин, воски)
• Применение в качестве электроизоляционных жидкостей (трансформаторное масло)
• Использование в криогенной технике (жидкий азот, гелий)

Поляризуемость неполярных молекул

Поляризуемость α неполярных молекул характеризует их способность приобретать индуцированный дипольный момент p во внешнем электрическом поле E:

p = αE

Для сферически симметричных молекул поляризуемость α связана с радиусом молекулы r соотношением:

α = 4πε₀r³

где ε₀ — электрическая постоянная.

Это выражение показывает, что поляризуемость неполярных молекул пропорциональна их объему. Чем больше размер молекулы, тем выше ее поляризуемость.

Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков

Диэлектрическая проницаемость ε неполярных диэлектриков связана с поляризуемостью молекул α формулой Клаузиуса-Моссотти:

(ε — 1) / (ε + 2) = Nα / 3ε₀

где N — концентрация молекул.

Для неполярных диэлектриков эта формула хорошо выполняется, что позволяет экспериментально определять поляризуемость молекул по измеренному значению диэлектрической проницаемости.

Влияние температуры на свойства неполярных диэлектриков

Температурная зависимость свойств неполярных диэлектриков обусловлена в основном изменением плотности вещества при нагревании или охлаждении:

• Диэлектрическая проницаемость ε слабо уменьшается с ростом температуры из-за уменьшения концентрации молекул
• Электрическая прочность снижается при нагревании вследствие увеличения подвижности электронов
• Удельное сопротивление уменьшается с ростом температуры из-за увеличения концентрации свободных носителей заряда

В целом, температурная стабильность свойств неполярных диэлектриков выше, чем у полярных.

Сравнение неполярных и полярных диэлектриков

Рассмотрим основные отличия в свойствах и поведении неполярных и полярных диэлектриков:

Характеристика	Неполярные диэлектрики	Полярные диэлектрики
Дипольный момент молекул	Отсутствует в нормальном состоянии	Постоянно присутствует
Механизм поляризации	Только электронная поляризация	Электронная и ориентационная поляризация
Время установления поляризации	10-15 — 10-14 с	10-12 — 10-10 с
Диэлектрическая проницаемость	Низкая (1.5 — 3)	Высокая (до 100 и выше)
Зависимость ε от температуры	Слабая	Сильная
Диэлектрические потери	Малые	Значительные

Заключение

Неполярные диэлектрики играют важную роль в современной технике благодаря своим уникальным свойствам. Отсутствие постоянного дипольного момента молекул обуславливает их низкую диэлектрическую проницаемость, малые диэлектрические потери и высокую температурную стабильность. Эти характеристики делают неполярные диэлектрики незаменимыми материалами для создания высокочастотной изоляции, конденсаторов и других электротехнических устройств.

Урок по физике в 10-м классе по теме «Диэлектрики и проводники в электрическом поле»

Цели:

• Образовательная: формирование представления о проводниках и диэлектриках; обеспечение в ходе урока понимания учащимися отличия проводников от диэлектриков с точки зрения электронной теории; создать условия для формирования понятие о диэлектриках и их физической природе с точки зрения электронной теории.
• Развивающая: способствовать развитию познавательной активности, образного мышления; способствовать дальнейшему развитию умений выделять главное, сравнивать, анализировать, делать выводы.
• Воспитательная: воспитание чувства ответственности и готовности к сотрудничеству; приобретение навыков общения и самоорганизации; способствовать формированию научного мировоззрения..

Оборудование: персональный компьютер, мультимедийный проектор, экран, электрометр с набором тел, гильза на штативе, пластина из оргстекла, лист пластика.

Методы обучения: объяснительно-иллюстративный, практический.

Учебник: Физика 10 класса, В.А. Касьянов, М., ДРОФА, 2005 г.

План урока

Этапы урока	Время, мин	Приемы и методы
1.Организационный момент, сообщение плана работы на уроке.	1-2 мин	Информация учителя
2. Активизация знаний.		Беседа
3. Изучение нового материала. Лекция.	20-25 мин	Беседа, рассказ, сопровождающийся презентацией и демонстрацией опытов
4. Подведение итога урока.	2-3 мин	Выделение главного.
5. Самопроверка	8-10 мин	Работа с карточкой
5. Домашнее задание	2-3 мин	Сообщение учителя

ХОД УРОКА

Организационный момент:

На предыдущих уроках по теме “электростатика” мы увидели много опытов, демонстрирующих электрические взаимодействия. Эти и другие не менее интересные опыты и явления можно осознать и объяснить после изучения темы урока.

Объявление темы урока: (приложение 1, слайд №1)

Ребята, запишите в тетради тему урока: “Диэлектрики и проводники в электростатическом поле”. На этом уроке мы рассмотрим поведение в электростатическом поле веществ, которые не могут проводить электрический ток (диэлектриков), и тех веществ, которые его проводят (проводники) (приложение 1, слайд №2).

Вашему вниманию предлагается лекционная подача материала, в тетради необходимо сделать краткие записи, которые помогут в подготовке по теме.

1. Учащимся предлагается план лекции (приложение 1, слайд № 3).
2. Проводники и диэлектрики.

Учитель: Давайте разберемся, почему диэлектрики не проводят электрический ток.

Диэлектрики — это вещества, не содержащие свободных заряженных частиц, т.е. таких заряженных частиц, которые способны свободно перемещаться по всему объему тела. Поэтому диэлектрики не могут проводить электрический ток.

Диэлектрики иначе называются изоляторами, назовите примеры твердых тел, являющихся диэлектриками (изоляторами).

Ученики: Диэлектриками являются многие твердые тела (фарфор, янтарь, эбонит, стекло, кварц, мрамор и др.), некоторые жидкости (например, дистиллированная вода) и все газы.

Учитель: По внутреннему строению диэлектрики разделяются на полярные и неполярные (приложение 1, слайд № 4).

В полярных диэлектриках молекулы являются диполями, в которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. К таким диэлектрикам относятся спирт, вода, аммиак и др. (приложение 1, слайд № 5).

Рассмотрим поведение типичного полярного диэлектрика в электрическом поле (слайд №6). Сообщаем, что в отличие от проводников в диэлектриках нет свободных зарядов, которые могли бы под действием поля перемещаться по всему объему. Все электрические заряды диэлектрика связаны с молекулами и атомами вещества. Под действием электрического поля эти заряды могут смещаться только в пределах микроскопических объемов. Процесс смещения этих зарядов называют, поляризацией диэлектриков.

Неполярные диэлектрики состоят из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают. К таким веществам относятся инертные газы, водород, кислород, полиэтилен и др. (приложение 1, слайд № 7, 8).

Если диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле, то происходит поляризация диэлектрика. При этом процессе молекулы диэлектрика ориентируются по внешнему электрическому полю. На противоположных поверхностях диполя появляются связанные заряды. Это приводит к тому, что в диэлектриках возникает свое электрическое поле, направленное против внешнего, и в сумме поле внутри диэлектрика будет меньше внешнего. Диэлектрическая проницаемость, о которой мы говорили раньше, характеризует способность диэлектрика к ослаблению внешнего поля (приложение 1, слайд № 9, 10).

Внесём полярный диэлектрик в электростатическое поле и посмотрим, что при этом произойдёт. В полярных диэлектриках поляризация происходит в результате переориентации диполей. Когда нет внешнего поля, диполи сориентированы хаотично и суммарное поле внутри вещества равно нулю. Во внешнем поле под действием кулоновских сил происходит поворот диполей. Воздействие внешнего электрического поля испытывают все молекулы диэлектрика. Это приводит к тому, что в диэлектрике возникает собственное электрическое поле. Электрическое поле внутри диэлектриков будет ослаблено по сравнению с внешним полем Е. Наряду с ориентирующим действием кулоновских сил, дипольные молекулы находятся под влиянием теплового движения. Тепловое движение стремится нарушить ориентацию диполей (приложение 1, слайд № 11, 12).

Когда неполярный диэлектрик помещают во внешнее электрическое поле, происходит перераспределение зарядов внутри молекул таким образом, что в целом в диэлектрике появляется собственное поле. В отличие от полярных диэлектриков, здесь нет влияния теплового движения на процесс поляризации (приложение 1, слайд № 13, 14).

Убедимся в этом на опыте. Возьмём электрометр с металлическим диском и зарядим его положительно. Поднесём к диску лист пластика, стрелка электрометра приблизилась к стержню. Значит, диэлектрик ослабляет поле диска.

Для того чтобы описать, как сильно ослабляет диэлектрик электрическое поле, вводят величину, которую называют диэлектрической проницаемостью.

Если обозначить Ео — напряжённость электрического поля в вакууме;

Е — напряжённость электрического поля в диэлектрике;

e-диэлектрическая проницаемость среды, то получим формулу (приложение 1, слайд № 15):

Главное отличие проводников от диэлектриков — наличие свободных зарядов, которые могут перемещаться под действием кулоновских сил. Это свойство проводников позволяет объяснить их поведение в электрическом поле (приложение 1, слайд № 16, 17).

Если проводник заряжен, то есть на нем находится избыточный заряд какого-либо знака, то из-за того, что одноименные заряды отталкиваются, они будут стремиться занять как можно больший объем и окажутся все на поверхности проводника. Наличие поля внутри привело бы к непрерывному движению зарядов до тех пор, пока поле не исчезло бы. Таким образом, внутри заряженного проводника электростатическое поле отсутствует. Потенциал внутри проводника постоянен (приложение 1, слайд № 18).

Проведём опыт. Поднесём незаряженную гильзу к заряженной стеклянной пластине. Гильза притянется к пластине. А ведь в электрические взаимодействия вступают только заряженные тела! Посмотрим, как такое возможно. Когда мы подносим гильзу к заряженной пластине, то под действием её электрического поля свободные электроны металлической гильзы приходят в направленное движение и собираются на левой стороне гильзы. Поэтому гильза притягивается к пластине (приложение 1, слайд № 19).

Правая сторона гильзы, с которой “сбежали” электроны, заряжается положительно. Поэтому внутри гильзы возникает своё электрическое поле, направленное против внешнего поля. И как только внутреннее поле станет равным внешнему полю, движение электронов прекратится. Внутри заряженного проводника поле становится равным нулю (приложение 1, слайд № 20).

Если проводник поместить во внешнее электрическое поле, то начнется перемещение свободных зарядов таким образом, что положительные заряды скапливаются на одной стороне, а отрицательные — на противоположной. Перераспределение зарядов будет происходить до тех пор, пока поле, созданное этими зарядами, не скомпенсирует внешнее поле. Если в этот момент разделить проводник плоскостью, перпендикулярной внешнему полю, то разделенные части проводника окажутся заряженными разноименно.

В разделении зарядов и заключается явление электростатической индукции. Благодаря этому явлению осуществляется электростатическая защита. Если какой-либо прибор необходимо защитить от внешних электрических полей, то его помещают в проводящую оболочку (приложение 1, слайд № 21, 22).

Этот вывод наглядно продемонстрировал английский физик Майкл Фарадей. Он провёл следующий опыт. Оклеил большую деревянную клетку листами станиоля (оловянной бумагой) и изолировал её от Земли. При помощи электрической машины Фарадей очень сильно зарядил клетку, а сам поместился в неё с чувствительным электроскопом. При этом электроскоп не показывал никакого отклонения.

Можно провести подобный опыт. (Демонстрируется опыт)

Возьмём электрометр, на стержне которого укреплена малая сфера, и поднесём к нему положительно заряженную стеклянную пластину. Под действием поля пластины стрелка электрометра отклонится от стержня. Накроем теперь сферу калориметром и так же поднесём заряженную пластину. Стрелка отклоняться не будет. Калориметр оказывает экранирующее действие. Внутри него электрического поля нет.

Если напряженность электрического поля будет направлена под углом к поверхности проводника, то под действием составляющей этого поля, параллельной поверхности, заряды двигались бы непрерывно, что противоречит закону сохранения энергии. Отсюда следует вывод — напряженность электростатического поля перпендикулярна поверхности проводника. Также известно, что эквипотенциальные поверхности перпендикулярны силовым линиям, поэтому поверхность проводника является эквипотенциальной (приложение 1, слайд № 23).

Сегодня на уроке мы разобрали поведение проводников и диэлектриков в электрическом поле. Сделаем выводы: (приложение 1, слайд № 24, 25).

• Диэлектрики — это вещества, не содержащие свободных заряженных частиц.
• В полярных диэлектриках молекулы являются диполями, в которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают.
• Неполярные диэлектрики состоят из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают.
• При поляризации молекулы диэлектрика ориентируются по внешнему электрическому полю.
• Диэлектрическая проницаемость характеризует способность диэлектрика к ослаблению внешнего поля.
• Тепловое движение влияет на поляризацию полярных диэлектриков.
• Главное отличие проводников от диэлектриков — наличие свободных зарядов, которые могут перемещаться под действием кулоновских сил.
• Внутри заряженного проводника электростатическое поле отсутствует.
• Потенциал внутри проводника постоянен.
• Напряженность электростатического поля перпендикулярна поверхности проводника. Поверхность проводника является эквипотенциальной

Самопроверка Выполнение тестового задания (на карточках).

1. Какое из перечисленных веществ лишнее?
1. Железо
2. Резина
3. Дерево
4. Шёлк
2. Диэлектрик поместили в электростатическое поле, а затем разрезали на две части. Полученные половинки оказались…
1. Разноименно заряженными
2. Одноименно заряженными
3. Нейтральными
4. Однозначно ответить нельзя
3. Какое явление называется поляризацией диэлектрика?
1. Разделение разноименных зарядов в электрическом поле
2. Процесс передачи диэлектрику заряда
3. Смещение относительно друг друга связанных зарядов в молекуле под действием электрического поля
4. Распад молекул на ионы
4. Напряженность электростатического поля в вакууме 20 кН/Кл. Какова напряженность этого поля в керосине, если его диэлектрическая проницаемость равна 2?
1. 1000 Н/Кл
2. 10000 Н/Кл
3. 20000 Н/Кл
4. 40000 Н/Кл
5. На рисунке изображены различные вещества, внесенные в однородное электрическое поле. Стрелками показано направление линий напряженности внешнего поля. Укажите диэлектрик.
1. Только 1
2. Только 2
3. 1 и 2
4. Нет верного ответа

 

Домашнее задание: §§ 85–87 по учебнику В.А.Касьянова-10; конспект лекции.

Заполнить таблицу (пропущенные клетки)

Проводники в электрическом поле	Диэлектрики в электрическом поле
1. Есть свободные электроны	1.
2.	2. В электрическом поле молекулы и атомы поворачиваются так, что с одной стороны в диэлектрике появляется избыточный положительный заряд, а с другой — отрицательный
3. Внутри проводника электрического поля нет	3.
4.	4. Диэлектрик можно разделить на 2 части в электрическом поле, но каждая из них будет незаряженной

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 полярные, неполярные и с ионной структурой

В настоящее время принято разделение линейных диэлектриков по механизмам поляризации молекул. Эта классификация исключительно важна при изучении как электрических, так и общих физико-химических свойств диэлектриков.

Неполярные диэлектрики (нейтральные) — состоят из неполярных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают. Следовательно неполярные молекулы не обладают электрическим моментом и их электрический момент

p = q • l = 0.

Примером практически неполярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных материалов, являются углеводороды, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др.

Полярные диэлектрики (дипольные) — состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают. При замещении в неполярных полимерах некоторой части водородных атомов другими атомами или не углеводородными радикалами получаются полярные вещества. При определении полярности вещества по химической формуле следует учитывать пространственное строение молекул. К полярным диэлектрикам относятся феноло-формальдегидные и эпоксидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др. Примеры молекул неполярных и полярных веществ показаны на рис. 7.3.

рис. 7.3

Ионные соединения представляют собой твердые неорганические диэлектрики с ионным типом химической связи. Для этой группы соединений характерны, кроме электронной, ионная и электронно-релаксационная поляризации. Принято выделять группу диэлектриков с быстрыми видами поляризаций — электронной и ионной, и с замедленными видами поляризаций релаксационного типа, накладывающихся на электронную и ионную поляризацию. К первой группе, в которой наблюдаются только быстрые виды поляризаций, относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов. К ним относятся каменная соль, кварц, слюда, корунд, двуокись титана (рутил) и др. Ко второй группе, в которой кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц в решетке имеют также и ионно — релаксационную поляризацию, относятся неорганические стекла, электротехнический фарфор, ситаллы, микалекс и др.

В момент включения и выключения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает обусловленный быстрыми видами поляризаций ток смещения I_см за время ~10^-15с. В неполярных однородных диэлектриках затем устанавливается ток сквозной проводимости — I_скв. В начальный момент времени и при выключении постоянного поля через полярные и неоднородные диэлектрики протекает также ток абсорбции — I_абс, причиной которого являются замедленные (релаксационные) поляризации. Во многих диэлектриках, используемых в качестве электрической изоляции, ток сквозной проводимости I_скв устанавливается за время меньшее 1 мин.

В переменном электрическом поле через диэлектрик протекают все, характерные для него виды токов. Сквозной ток — I_скв (ток утечки) обусловлен наличием в диэлектриках указанных в табл.1свободных носителей заряда различной природы.

Вид диэлектрика	Носители заряда (область слабых полей)	Природа носителей заряда (происхождение)
Газообразные	Положительные и отрицательные ионы	Ионизация молекул газа
	В сильных полях также электроны	Ударная ионизация и фотоионизация молекул газа
Жидкие	Ионы	Диссоциация молекул примесей
	Коллоидные заряженные частицы	Характерны для коллоидных растворов-эмульсий (коллоидные частицы-жидкость) и суспензий (взвешенное фаза-твердое вещество)
Твердые	Ионы	Диссоциация примесей или собственных молекул
	Точечные дефекты кристаллической решетки: вакансии (пустые узлы), межузельные ионы	Зависят от структуры кристаллического диэлектрика
	Электроны проводимости или дырки в заполненной зоне	В диэлектриках с электронным механизмом проводимости

В постоянном электрическом поле токи абсорбции I_абс могут устанавливаться в течение длительного времени (в течение минут или даже часов ) в зависимости от типа диэлектрика и механизма поляризации. После исчезновения тока абсорбции через диэлектрик будет протекать только ток сквозной проводимости I_скв. При расчете сопротивления изоляции на постоянном напряжении необходимо расчет вести по току сквозной проводимости I_скв, исключая токи абсорбции. Механизмы возникновения и уменьшения тока абсорбции I_абс показаны в табл. 2.

Условия возникновения Iабс	Механизм или причина уменьшения проводимости
При ионной проводимости наличие блокирующих контактов с электродами	Блокирующие контакты препятствуют прохождению носителей заряда через границу электрод-диэлектрик или разряду носителей, подходящих из объема диэлектрика на границе с электродом.
Неоднородная структура диэлектрика	Накопление заряда на границах раздела, что вызывает перераспределение электрического поля.
Ионная проводимость в жидком диэлектрике	Необратимое удаление носителей заряда и разрядка их на электродах (электроочистка)
Инжекция электронов или дырок в диэлектрик	Захват носителей заряда на ловушки (дефекты решетки) и исключение их из процесса переноса тока
Наличие в диэлектрике замедленной поляризации	Установление релаксационной поляризации с течением времени

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.

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)3/21. 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).

Решение задач от 1 дня / от 150 р. Курсовая работа от 5 дней / от 1800 р. Реферат от 1 дня / от 700 р.

Полярные диэлектрики

В целом молекулы и атомы всех веществ являются нейтральными, не смотря на то, что в них входят заряженные электроны и протоны.

Поляризация диэлектрика

Существуют диэлектрики, в которых молекулы имеют дипольный момент в отсутствии электрического поля (полярные молекулы). Если поле отсутствует, то полярные молекулы участвуют в тепловом движении, ориентированы беспорядочно. При внесении диэлектрика в поле, молекулы ориентируются в основном в направлении поля. Следовательно, диэлектрик поляризуется. У симметричных молекул, например, $O_2,\ N_2,$ при отсутствии поля центры тяжести отрицательных и положительных зарядов совпадают, вследствие, чего собственного дипольного момента у молекул нет (неполярные молекулы). У несимметричных молекул (${например,\ H}_2O,\ CO$) центры тяжести сдвинуты друг относительно друга, в результате чего молекулы имеют дипольный момент и называются полярными. {-30}Кл\cdot м.\ $ Дипольные моменты большинства веществ измерены и их можно отыскать в справочниках.

Установление равновесия

Дипольный момент $\overrightarrow{p}$, молекулы, которая находится в электрическом поле с напряженностью $\overrightarrow{E,}\ $имеет потенциальную энергию, которая вычисляется по формуле:

Величина $W$ достигает минимального значения в том случае, когда $\overrightarrow{p}\uparrow \uparrow \overrightarrow{E.}$ Так как устойчивым состоянием системы является состояние с минимумом потенциальной энергии, то моменты диполей стремятся повернуться до совпадения с направлением напряженности поля. Этот поворот осуществляет пара сил, которые действуют на диполь в электрическом поле. Тепловое движение, в свою очередь, мешает упорядочивающему действию электрического поля. В результате устанавливается равновесие.

С увеличением напряженности поля дипольные моменты интенсивнее ориентируются вдоль напряженности поля при $\overrightarrow{p}\cdot \overrightarrow{E}\gg kT$, то есть при $\beta \gg 1$, можно считать, что все дипольные моменты параллельны между собой и параллельны полю. {-23}\frac{Дж}{К}$ — постоянная Больцмана, $T$ — абсолютная термодинамическая температура. Диэлектрическая проницаемость будет равна:

Из уравнения (4) мы видим, что диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков зависит от температуры и при нагревании уменьшается.

Вместе с поляризованностью вследствие переориентирования диполей в полярных диэлектриках возникает поляризованность, которая обусловлена индуцированными дипольными моментами. Однако ее вклад примерно в сто раз меньше, чем от постоянных дипольных моментов, поэтому ей часто пренебрегают. Надо отметить, что в квантовой теории, когда рассматривают переориентацию дипольных моментов, еще рассматривают вращение молекул.

Для плотных газов, а тем более жидкостей нельзя считать, что локальное поле равно внешнему ($\overrightarrow{E’}\ne \overrightarrow{E}$). Необходимость учитывать локальное поле существенно усложняет расчет. Можно записать, что вектор поляризации ($\overrightarrow{P}$) равен:

Необходимо помнить, что напряженность $\overrightarrow{E’}$ нельзя легко выразить через напряженность внешнего поля. 2}{3kT{\varepsilon }_0}$ тогда формулу (6) записывают в виде:

Формула (7) применима только в том случае, если локальное поле можно представить как:

например, для кристаллов с кубической решеткой. В жидкостях с полярными молекулами эта формула оправдывается плохо. Для газообразных полярных диэлектриков, у которых можно считать, что локальное поле равно среднему полю, формулу (7) применить можно, если положить, что $\varepsilon +2\approx 3.$

Если существует необходимость учитывать деформацию молекул под воздействием электрического поля, то диэлектрическая проницаемость газа может быть определена как:

В формуле (9) второе слагаемое описывает электронную поляризацию смещения, а третье слагаемое — ориентационную поляризацию.

Существуют диэлектрические кристаллы (ионные кристаллы), которые строятся из ионов противоположного знака. Подобный кристалл состоит из двух кристаллических решеток, положительной и отрицательной, вдвинутых одна в другую. Кристалл в целом можно уподобить гигантской молекуле. При наложении электрического поля происходит сдвиг одной решетки относительно другой, так происходит поляризация ионных кристаллов.

Существуют кристаллы, которые поляризованы и без поля. При дальнейшем изучении поведения диэлектриков в электрических полях механизм возникновения поляризации значения иметь не будет. Существенным является лишь то, что поляризация диэлектрика проявляется через возникновение некомпенсированных макроскопических зарядов. Когда диэлектрик не поляризован, объемная плотность его зарядов ($\rho $) и поверхностная плотность ($\sigma $) равны нулю. В результате поляризации $\sigma \ne 0$, а иногда и $\rho \ne 0.$ Поляризация сопровождается возникновением в тонком поверхностном слое диэлектрика избытка связанных зарядов одного знака. В том случае, если перпендикулярная составляющая напряженности поля $\overrightarrow{E_n}\ne 0$ на выделенном участке, то под действием поля заряды одного знака уходят внутрь, а другого выходят наружу.

Пример 1

Задание: Какими типами поляризации могут обладать следующие атомы и молекулы:

\[Н,\ He,\ O_2,\ H_2O,\ HCl,CO. {-19}\left(Кл\right).$

Неполярные диэлектрики

Любая молекула есть система из положительных и отрицательных зарядов. Если диэлектрик поместить в электрическое поле, то оно вызовет смещение зарядов в молекуле, тем самым создаст индуцированный дипольный момент.

Некоторые вещества построены из молекул, в состав которых входят незаряженные атомы, например, молекула водорода. Неполярную молекулу в отсутствии внешнего поля можно уподобить в виде двух равномерно заряженных сфер, центры которых совпадают. Поле равномерно заряженной сферы во внешнем пространстве такое же, как поле точечного заряда той же величины, что и заряд сферы, помещенного в центр сферы. Электрический момент такой молекулы равен нулю. Если неполярная молекула попадает в электрическое поле, то заряды смещаются друг относительно друга в противоположные стороны. Молекула вызывает электрическое поле, которое совпадает (вне молекулы) с полем диполя. У такого диполя каждый из точечных зарядов равен заряду сферы, а плечо диполя равно расстоянию между центрами сфер.

Смещение зарядов в слабых полях можно считать пропорциональным напряженности внешнего электрического поля. При этом дипольный момент молекулы (${\overrightarrow{p}}_e$) можно считать равным:

\[\overrightarrow{p_e}=\beta {\varepsilon }_0\overrightarrow{E’}\left(1\right),\]

где $\overrightarrow{E’}$ — напряженность поля, действующего на молекулу (в жидкостях и газах $\overrightarrow{E’}\ne \overrightarrow{E}$, $\overrightarrow{E}$ — среднее макроскопическое поле). Мы далее будем рассматривать газ, в нем $\overrightarrow{E’}=\overrightarrow{E}.$ $\beta $ — коэффициент поляризуемость молекулы, величина, которая зависит от строения молекулы. Формула (1) применима к молекулам со сферической симметрией. Такой тип поляризации называют электронной поляризацией.

Пусть неполярный диэлектрик находится во внешнем поле, примем, что локальное поле равно среднему полю внутри диэлектрика, то есть $\overrightarrow{E’}=\overrightarrow{E}.$ В таком случае каждая молекула имеет дипольный момент $\overrightarrow{p_e}$ выраженный формулой (1). В таком случае вектор поляризованности имеет вид:

\[\overrightarrow{P}=n\beta {\varepsilon }_0\overrightarrow{E\ }\left(2\right),\]

где $n$ — концентрация молекул (количество молекул в единице объема) диэлектрика. Для вектора электрического смещения имеем выражение:

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

Так как для изотропного диэлектрика имеет место уравнение:

\[\overrightarrow{D}=\varepsilon {\varepsilon }_0\overrightarrow{E}\left(4\right).\]

Следовательно, получаем, что:

\[\varepsilon =1+n\beta \left(5\right).\]

Уравнение (5) связывает диэлектрическую проницаемость $\varepsilon $ с концентрацией молекул в диэлектрике и поляризуемостью молекул. Формула (5) является приближенной, так как мы считали, что электрическое поле, которое вызывает смещение зарядов в молекуле, равно среднему полю в диэлектрике, что, в общем, неверно. Среднее поле ($\overrightarrow{E}$) учитывает действие всех зарядов, поле же $\overrightarrow{E’}$ — выражает действие всех зарядов за исключением рассматриваемой молекулы.

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.

Разница между полярными и неполярными диэлектриками

29 декабря 2017 г.

от Madhusha

Чтение через 4 мин.

Основное отличие — полярные и неполярные диэлектрики

Диэлектрики являются электрическими изоляторами. Они не являются проводящими электричество материалами, поскольку у них нет свободных электронов для проведения электричества. Диэлектрик можно поляризовать, приложив к нему электрическое поле. Существует два типа диэлектриков: полярные диэлектрики и неполярные диэлектрики. Полярные диэлектрики — это полярные соединения, не проводящие электричество. Неполярные диэлектрики — это неполярные соединения, которые не могут проводить электричество. Основное различие между полярными и неполярными диэлектриками состоит в том, что 9Полярные диэлектрики 0011 имеют асимметричную форму, тогда как неполярные диэлектрики имеют симметричную форму.

Ключевые области, охватываемые

1. Каковы полярные диэлектрики
— Определение, полярность, примеры
2. Что представляет собой неполярные диэлектрики
— определение, полярность, примеры 111111. 3. Что это Разница между полярными и неполярными диэлектриками
     – Сравнение ключевых различий

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

Что такое полярные диэлектрики

Полярные диэлектрики — это полярные соединения, которые не могут проводить электричество. Через них не может течь ток, потому что нет свободных электронов, проводящих электричество. 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 к себе электроны связи. Тогда атом с меньшей электроотрицательностью получает частичный положительный заряд (из-за дефицита электронов), а атом с большей электроотрицательностью — частичный отрицательный (из-за высокой электронной плотности). 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 она является полярным диэлектриком.

Рисунок 1: NH ₃ — молекула полярного диэлектрика

Молекула аммиака — хороший пример полярного диэлектрика. В нем нет свободных электронов, которые могут проводить электричество. Это полярная молекула, потому что атом азота более электроотрицательный, чем атом водорода, а расположение трех связей NH является тригонально-пирамидальным.

Что такое неполярные диэлектрики

Неполярные диэлектрики — это неполярные соединения, не проводящие электричество. Через них не может течь ток, потому что нет свободных электронов, проводящих электричество. Основной причиной того, что материал является полярным диэлектриком, является его форма. Форма этих диэлектриков симметрична.

Неполярные диэлектрические молекулы неполярны, потому что они имеют симметричную геометрию. Например, CO ₂ представляет собой линейную молекулу с двумя связями CO. Связь C-O является полярной связью из-за разницы между значениями электроотрицательности углерода и кислорода. Но, поскольку расположение связей линейно, чистая полярность равна нулю. Следовательно, это неполярная молекула. Он не проводит электричество. Следовательно, это неполярная диэлектрическая молекула.

Рис. 2. Бензол — неполярный диэлектрик

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

Разница между полярными и неполярными диэлектриками

Определение

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

Неполярные диэлектрики: Неполярные диэлектрики — это неполярные соединения, не проводящие электричество.

Форма

Полярные диэлектрики: Форма полярных диэлектриков асимметрична.

Неполярные диэлектрики: Форма неполярных диэлектриков симметрична.

Полярность

Полярные диэлектрики: Полярные диэлектрики полярны.

Неполярные диэлектрики: Неполярные диэлектрики неполярны.

Примеры

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

Неполярные диэлектрики: Бензол, метан, двуокись углерода являются хорошими примерами неполярных диэлектриков.

Заключение

Диэлектрики — это соединения, не проводящие электричество. Эти диэлектрики встречаются как полярные диэлектрики или неполярные диэлектрики 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.

Каталожные номера:

1. «Диэлектрик». Изучение химии, доступно здесь.
2. «Дипольный момент | Диэлектрический материал | Полярные и неполярные молекулы». Физика, Byjus Classes, 7 августа 2017 г., доступно здесь.
3. «Что такое полярные и неполярные диэлектрики?» Больше, доступно здесь.

Изображение предоставлено:

1. «Полярность Nh4» Автор すじにくシチュー — собственная работа (CC0) через Commons Wikimedia
Домен) через Commons Wikimedia

Об авторе: Мадхуша

Мадхуша имеет степень бакалавра (с отличием) в области биологических наук и в настоящее время получает степень магистра в области промышленной и экологической химии. Области ее интересов для написания и исследований включают биохимию и химию окружающей среды.

Просмотреть все сообщения

Вам также могут понравиться эти

Что такое полярный и неполярный диэлектрик | Помощь с домашним заданием

CBSE, JEE, NEET, NDA

Банк вопросов, пробные тесты, экзаменационные работы

Решения NCERT, образцы документов, заметки, видео

Установить сейчас

Что такое полярный и неполярный диэлектрик

Автор: Махима П. Найк 1 год, 9месяцев назад

CBSE > Класс 12 > Физика

• 1 ответ

Критический угол раздела вода-воздух 53 градуса Что такое показатель преломления воды

Автор: Насиб Синдху 5 дней, 13 часов назад

CBSE > Класс 12 > Физика

• 0 ответов

Кусок полиэтилена, натертый шерстью, имеет отрицательный заряд 3×10*- Есть ли перенос массы с шерсти на полиэтилен?

Автор: Дивья Тхакур 2 дня, 10 часов назад

CBSE > Класс 12 > Физика

• 2 ответа

Эксперименты по метровому мосту

Автор: Акаш Дип 4 дня, 9часов назад

CBSE > Класс 12 > Физика

• 0 ответов

Диэлектрическая проницаемость воды равна 80 . Какова его диэлектрическая проницаемость?

Автор: Кайф Хан 1 неделя назад

CBSE > Класс 12 > Физика

• 5 ответов

Связь между градиентом потенциала электрического поля

Автор: Маннат Гангвар 4 дня, 18 часов назад

CBSE > Класс 12 > Физика

• 1 ответ

Кулон

Автор: Пиху Агарвал 20 часов назад

CBSE > Класс 12 > Физика

• 1 ответ

Как преобразовать вольтметр на 10 вольт с сопротивлением 100 Ом в вольтметр, который может измерять 100 вольт?

Автор: Винай Рават 6 дней, 11 часов назад

CBSE > Класс 12 > Физика

• 1 ответ

Выпуклое зеркало не может формировать реальное изображение

Автор: Насиб Синдху 5 дней, 13 часов назад

CBSE > Класс 12 > Физика

• 1 ответ

Закон Куламба

Автор: Паял Рават 3 дня, 17 часов назад

CBSE > Класс 12 > Физика

• 5 ответов

Что такое суперпозиция основных расходов?

Автор: Бхарат Томар 14 часов назад

CBSE > Класс 12 > Физика

• 0 ответов

myCBSEguide

Доверяют 1 крор+ студентов

Установить сейчас

• Создавайте документы за считанные минуты
• Печать с вашим именем и логотипом
• Скачать в формате PDF
• 5 лакхов+ вопросов
• Включенные решения
• На основе учебного плана CBSE
• Подходит для школ и репетиторов

Создание документов

Тестовый генератор

Создание статей по цене 10 ₹/- за бумагу

Попробовать сейчас

Узнать об атомном описании диэлектриков

атомное описание диэлектриков Определение

Диэлектриками называются непроводящие вещества, которые имеют незначительное количество носителей заряда.

Обзор атомного описания диэлектриков

Диэлектрики — это материалы, в которых электрическое поле может существовать в течение длительного времени. Согласно самой базовой физической модели диэлектрика, он состоит из небольших идеально проводящих сфер, помещенных в идеальный изолятор таким образом, что сферы изолированы друг от друга. Все состояния вещества, т. е. твердые тела, жидкости, газы и вакуум могут вести себя как диэлектрический материал. Примерами твердых тел, которые ведут себя как диэлектрики, являются слюда, фарфор, стекло и бумага. Жидкости, которые ведут себя как диэлектрики, — это дистиллированная вода, трансформаторное масло, силиконовое масло и кабельное масло. Газы, которые ведут себя как диэлектрические материалы, представляют собой сухой воздух, азот и оксиды некоторых металлов. Свободно движущиеся носители заряда отсутствуют в диэлектрическом материале, потому что все носители заряда связаны и связаны с ближайшим атомом. Существует два типа диэлектриков: полярные диэлектрики и неполярные диэлектрики. Некоторыми примерами полярных молекул являются HCl или h3O{H_2}Oh3​O, тогда как примерами неполярных молекул являются O2{O_2}O2​ или CO2C{O_2}CO2​.

Есть вопрос по этой теме?

Что вы изучите:

• атомное описание диэлектриков Определение
• Обзор атомного описания диэлектриков
• Влияние диэлектрика на конденсатор
• Электрическая поляризация диэлектрика Влияние диэлектрика
• Применение диэлектриков
2 Применение диэлектриков
• Конденсатор

  Конденсатор имеет два проводника, разделенных изоляционным материалом. Конденсатор с параллельными пластинами состоит из двух параллельных проводящих пластин, разделенных тонким изолятором, известным как диэлектрик.

  Если между пластинами конденсатора с параллельными пластинами нет диэлектрического материала, так что пластины разделены расстоянием «d», тогда напряженность электрического поля равна

  E=σε0=qAε0E = \frac{\sigma}{{{\varepsilon _0}}} = \frac{q}{{A{\varepsilon _0}}}E=ε0​σ​=Aε0​q​

  Здесь «σ» представляет заряд (q) на единицу площади (A), а «ε0» представляет собой диэлектрическую проницаемость вакуума. Поскольку напряженность электрического поля – это отношение разности потенциалов на конденсаторе к расстоянию между пластинами,

  E=VdE = \frac{V}{d}E=dV​

  E=qAε0E = \frac{q}{{A{\varepsilon _0}}}E=Aε0​q​

  Vd=qAε0 \frac{V}{d} = \frac{q}{{A{\varepsilon _0}}}dV​=Aε0​q​

  V=qdAε0V = \frac{{qd}}{{A{\varepsilon _0}}}V=Aε0​qd​

  Емкость конденсатора, определяемая отношением заряда на конденсаторе и разности потенциалов, представлена ​​как,

  C=qVC = \frac{q}{V}C=Vq​

  C=Aε0dC = \frac{{A{\varepsilon _0}}}{d}C=dAε0​​

  Когда диэлектрик помещенный между параллельными пластинами конденсатора, его емкость увеличивается в зависимости от материала диэлектрика.

  Емкость емкости увеличивается в k раз, т.е. на диэлектрическую проницаемость или относительную диэлектрическую проницаемость диэлектрического материала. Выражение для емкости имеет вид конденсатор.

   

  Электрическая поляризация диэлектрика

  Атомы или молекулы диэлектрического материала имеют случайную ориентацию в отсутствие внешнего электрического поля.

  Когда диэлектрический материал помещается во внешнее электрическое поле, ядра молекул диэлектрического материала движутся вместе с электрическим полем. Это приводит к увеличению количества положительных зарядов на одной стороне диэлектрика и увеличению количества отрицательных зарядов на другой стороне диэлектрика.

  Положительные заряды смещаются в направлении электрического поля, тогда как отрицательные заряды смещаются в направлении, противоположном электрическому полю. Таким образом, в диэлектрике индуцируется дипольный момент. Это создает суммарные заряды на поверхности диэлектрического материала, создавая тем самым противодействующее поле, которое уменьшает внешнее электрическое поле. Суммарный дипольный момент возникает во внешнем поле как для полярных, так и для неполярных молекул. В случае полярных молекул электрические диполи ориентируются в направлении внешнего электрического поля, а суммарный дипольный момент направлен в направлении электрического поля. В случае неполярных молекул молекулы поляризуются в присутствии электрического поля и складываются, чтобы дать суммарный дипольный момент. Это явление индуцированного дипольного момента в полярных, а также неполярных диэлектриках при помещении их во внешнее электрическое поле называется поляризацией. Когда индуцированный дипольный момент направлен в направлении электрического поля и прямо пропорционален напряженности электрического поля, так что

  P⃗∝E⃗\vec P \propto \vec EP∝E

  Здесь P⃗\vec PP представляет поляризацию, т. е. дипольный момент на единицу объема, а E⃗\vec EE представляет напряженность внешнего электрического поля.

  P⃗=χeE⃗\vec P = {\chi _{\rm{e}}}\vec EP=χe​E

  Константа пропорциональности – это восприимчивость диэлектрической среды и диэлектрик, удовлетворяющий соотношению, называется как линейный изотропный диэлектрик. Диэлектрик можно поляризовать, растягивая или вращая атомы или молекулы диэлектрического материала в присутствии внешнего электрического поля, что приводит к индукции дипольного момента.

  Применение диэлектриков

  Ниже приведены некоторые применения диэлектриков:

  • Диэлектрики используются в конденсаторах для накопления энергии и увеличения эффективной емкости. Они используются для предотвращения контакта проводящих пластин. При работе под высоким напряжением существует вероятность короткого замыкания, которое можно уменьшить, используя диэлектрик.

  • Диэлектрик используется в качестве изолирующего покрытия для токопроводящих проводов и материалов.

  • Диэлектрик используется в резонаторной антенне, которая используется для создания и приема микроволновых сигналов. Диэлектрики используются для генерации звука.

  • Диэлектрики используются в трансформаторах в качестве хладагентов. Газовый диэлектрик, т.е. азот, используется для предотвращения окисления трансформаторного масла.

  • Диэлектрики используются для накопления заряда в светочувствительных материалах, таких как лазерные принтеры и фотокопировальные машины.

  Продолжайте учиться

  Дальнейшие действия на основе учебной программы колледжа

  Диэлектрическая проницаемость в вакуумеКонденсаторы и диэлектрикиКонденсаторы с диэлектрикамиДиэлектрическая проницаемость водыДиэлектрическая прочностьЭлектролитический конденсаторДиэлектрический конденсаторДиэлектрическая проницаемость

  8.5 Молекулярная модель диэлектрика

  Цели обучения

  К концу этого раздела вы сможете:

  • Объяснить поляризацию диэлектрика в однородном электрическом поле
  • Опишите влияние поляризованного диэлектрика на электрическое поле между обкладками конденсатора
  • Объясните пробой диэлектрика

  Мы можем понять влияние диэлектрика на емкость, рассмотрев его поведение на молекулярном уровне. Как мы видели в предыдущих главах, в целом все молекулы можно классифицировать либо как полярные , либо как неполярные . В изолированной полярной молекуле имеется чистое разделение положительных и отрицательных зарядов, тогда как в изолированной неполярной молекуле разделения зарядов нет (рис. 8.19).). Другими словами, полярные молекулы имеют постоянные электродипольные моменты , а неполярные молекулы — нет. Например, молекула воды полярна, а молекула кислорода неполярна. Неполярные молекулы могут стать полярными в присутствии внешнего электрического поля, что называется индуцированной поляризацией .

  Рисунок 8.19  Концепция поляризации. В неполяризованном атоме или молекуле отрицательно заряженное электронное облако равномерно распределено вокруг положительно заряженных центров, тогда как поляризованный атом или молекула имеет избыток отрицательного заряда на одной стороне, так что другая сторона имеет избыток отрицательного заряда. избыток положительного заряда. Однако вся система остается электрически нейтральной. Поляризация заряда может быть вызвана внешним электрическим полем. Некоторые молекулы и атомы постоянно поляризованы (электрические диполи) даже в отсутствие внешнего электрического поля (полярные молекулы и атомы).

  Давайте сначала рассмотрим диэлектрик, состоящий из полярных молекул. В отсутствие какого-либо внешнего электрического поля электрические диполи ориентированы случайным образом, как показано на рис. 8.20 (а). Однако, если диэлектрик помещен во внешнее электрическое поле [латекс] {\ stackrel {\ to } {\ textbf {E}}} _ {0} [/ латекс], полярные молекулы выравниваются с внешним полем, как показано в части (б) рисунка. Противоположные заряды на соседних диполях в объеме диэлектрика нейтрализуют друг друга, поэтому в диэлектрике нет суммарного заряда (см. пунктирные кружки в части (b)). Однако это не так близко к верхней и нижней поверхностям, граничащим с диэлектриком (область, обведенная пунктирными прямоугольниками в части (b)), где выравнивание создает суммарный заряд. Поскольку внешнее электрическое поле просто выравнивает диполи, диэлектрик в целом нейтрален, а поверхностные заряды, индуцированные на его противоположных сторонах, равны и противоположны. Эти 9Индуцированные поверхностные заряды 0011 [латекс]+{Q}_{i}[/латекс] и [латекс]\текст{−}{Q}_{i}[/латекс] создают дополнительное электрическое поле [латекс]{\ stackrel{\to }{\textbf{E}}}_{\text{i}}[/latex] ( индуцированное электрическое поле ), которое противостоит внешнему полю [латекс] {\stackrel{\to }{\textbf{E}}}_{0}[/latex], как показано в части (c).

  Рис. 8.20  Диэлектрик с полярными молекулами: (а) в отсутствие внешнего электрического поля; б) в присутствии внешнего электрического поля [латекс]{\stackrel{\to}{\textbf{E}}}_{0}[/латекс]. Штриховыми линиями обозначены области, непосредственно примыкающие к обкладкам конденсатора. (c) Наведенное электрическое поле [латекс]{\stackrel{\to}{\textbf{E}}}_{\text{i}}[/латекс] внутри диэлектрика, создаваемое индуцированным поверхностным зарядом [латекс]{ Q}_{i}[/latex] диэлектрика. Обратите внимание, что в действительности отдельные молекулы не идеально выровнены с внешним полем из-за тепловых флуктуаций; однако среднее выравнивание происходит вдоль линий поля, как показано.

  Тот же эффект возникает, когда молекулы диэлектрика неполярны. В этом случае неполярная молекула приобретает индуцированный электродипольный момент , так как внешнее поле его положительные и отрицательные заряды. Индуцированные диполи неполярных молекул выравниваются с [латекс] {\ stackrel {\ to } {\ textbf {E}}} _ {0} [/ латекс] так же, как выравниваются постоянные диполи полярных молекул ( показано в части (b)). Следовательно, электрическое поле внутри диэлектрика ослабевает независимо от того, полярны его молекулы или неполярны.

  Следовательно, когда область между параллельными пластинами заряженного конденсатора, такая как показанная на рис. 8.21 (а), заполнена диэлектриком, внутри диэлектрика возникает электрическое поле [латекс] {\ stackrel {\ to} {\textbf{E}}}_{0}[/latex] из-за свободного заряда [латекс]{Q}_{0}[/латекс] на обкладках конденсатора и электрического поля [латекс]{\ stackrel{\to }{\textbf{E}}}_{\text{i}}[/latex] за счет индуцированного заряда [латекса]{Q}_{i}[/латекс] на поверхностях диэлектрика . Их векторная сумма дает чистое электрическое поле [латекс]\stackrel{\to }{\textbf{E}}[/латекс] внутри диэлектрика между обкладками конденсатора (показано в части (b) рисунка):

  [латекс] \ stackrel {\ to }{\ textbf {E}} = {\ stackrel {\ to } {\ textbf {E}}} _ {0} + {\ stackrel {\ to } {\ textbf {E }}}_{\text{i}}.[/латекс]

  Это чистое поле можно рассматривать как поле, создаваемое эффективным зарядом [латекс]{Q}_{0}-{Q}_{i}[/латекс] на конденсаторе.

  Рисунок 8.21  Электрическое поле: (a) В пустом конденсаторе электрическое поле [латекс]{\stackrel{\to}{\textbf{E}}}_{0}[/латекс]. (b) В конденсаторе, заполненном диэлектриком, электрическое поле [латекс]\stackrel{\to }{\textbf{E}}[/латекс].

  В большинстве диэлектриков результирующее электрическое поле [латекс]\stackrel{\to }{\textbf{E}}[/latex] пропорционально полю [латекс]{\stackrel{\to }{\textbf{E} }}_{0}[/latex] производится бесплатно. В терминах этих двух электрических полей диэлектрическая проницаемость [латекс]\каппа[/латекс] материала определяется как

  [латекс]\каппа =\frac{{E}_{0}}{E}. [/latex]

  Поскольку [латекс]{\stackrel{\to }{\textbf{E}}}_{0}[/latex] и [латекс]{\stackrel{\to }{\textbf{E}}}_{\ text{i}}[/latex] указывают в противоположных направлениях, звездная величина E меньше величины [латекс]{Е}_{0}[/латекс] и, следовательно, [латекс]\каппа >1.[/латекс] Объединение уравнения 8.14 с уравнением 8.13 и перестановка членов дает следующее выражение для индуцированного электрического поля в диэлектрике:

  [латекс] {\ stackrel {\ to } {\ textbf {E}}} _ {\ text {i}} = \ left (\ frac {1} {\ kappa} -1 \ right) {\ stackrel {\ на }{\textbf{E}}}_{0}.[/latex]

  Когда величина внешнего электрического поля становится слишком большой, молекулы диэлектрического материала начинают ионизироваться. Молекула или атом ионизируется, когда один или несколько электронов удаляются из него и становятся свободными электронами, более не связанными с молекулярной или атомной структурой. Когда это происходит, материал может проводить ток, что позволяет заряду проходить через диэлектрик от одной обкладки конденсатора к другой. Это явление называется пробой диэлектрика . (На рис. 8.1 показаны типичные случайные пути электрического разряда во время пробоя диэлектрика.) Критическое значение [латекс] {Е} _ {\ текст {с}} [/латекс] электрического поля, при котором молекулы изолятор становится ионизированным называется диэлектрической прочностью материала. Диэлектрическая прочность накладывает ограничение на напряжение, которое может быть приложено для данного разделения пластин в конденсаторе. Например, диэлектрическая прочность воздуха составляет [латекс]{E}_{\text{c}}=3,0\phantom{\rule{0,2em}{0ex}}\text{МВ/м}[/latex], поэтому для заполненного воздухом конденсатора с расстоянием между пластинами [латекс] d = 1,00 \ фантом {\ правило {0,2 em} {0ex}} \ text {мм}, [/ латекс] предел разности потенциалов, который может быть безопасно наносится на его пластины, не вызывая диэлектрического пробоя, [латекс] V = {E} _ {\ text {c}} \ text { } d = \ left (3,0 \ phantom {\ rule {0,2em} {0ex}} × \phantom{\rule{0. {-3}\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{m} \right)=3.0\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{kV}[/latex].

  Однако этот предел становится равным 60,0 кВ, если тот же конденсатор заполнен тефлоном™, диэлектрическая прочность которого составляет около [латекс]60,0\фантом{\правило{0,2em}{0ex}}\текст{МВ/м}[/латекс ]. Из-за этого ограничения, налагаемого диэлектрической прочностью, количество заряда, которое может хранить заполненный воздухом конденсатор, составляет всего [латекс] {Q} _ {0} = {\ kappa} _ {\ text {воздух}} {C} _{0}\left(3.0\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{кВ}\right)[/latex], а заряд, хранящийся на одном и том же конденсаторе с тефлоновым покрытием, может достигать

  [латекс] Q = {\ каппа} _ {\ текст {тефлон}} {C} _ {0} \ влево (60,0 \ фантом {\ правило {0.2em} {0ex}} \ текст {кВ} \ справа) = {\ каппа} _ {\ текст {тефлон}} \ гидроразрыва {{Q} _ {0}} {{\ каппа} _ {\ текст {воздух}} \ влево (3,0 \ фантом {\ правило {0,2em} {0ex}}\text{kV}\right)}\left(60.0\phantom{\rule{0. 2em}{0ex}}\text{kV}\right)=20\frac{{\kappa}_{\ text{teflon}}}{{\kappa}_{\text{air}}}{Q}_{0}=20\frac{2.1}{1.00059}{Q}_{0}\cong 42\phantom{ \rule{0.1em}{0ex}}{Q}_{0},[/latex]

  , что примерно в 42 раза превышает заряд, хранящийся в воздушном конденсаторе. Типичные значения диэлектрической проницаемости и диэлектрической прочности для различных материалов приведены в таблице 8.1. Обратите внимание, что диэлектрическая проницаемость [латекс]\каппа[/латекс] равна ровно 1,0 для вакуума (пустое пространство служит эталонным условием) и очень близко к 1,0 для воздуха при нормальных условиях (нормальное давление при комнатной температуре). Эти два значения настолько близки, что фактически свойства заполненного воздухом конденсатора практически такие же, как и у пустого конденсатора. 9{6}\text{V}\text{/}\text{m}\right][/latex] Вакуум 1 ∞ Сухой воздух (1 атм) 1. 00059 3,0 Тефлон™ 2,1 от 60 до 173 Парафин 2,3 11 Силиконовое масло 2,5 от 10 до 15 Полистирол 2,56 19,7 Нейлон 3,4 14 Бумага 3,7 16 Плавленый кварц 3,78 8 Стекло от 4 до 6 от 9,8 до 13,8 Бетон 4,5 – Бакелит 4,9 24 Алмаз 5,5 2000 Стекло пирекс 5,6 14 Слюда 6,0 118 Неопреновый каучук 6,7 от 15,7 до 26,7 Вода 80 [латекс]-[/латекс] Серная кислота от 84 до 100 [латекс]-[/латекс] Диоксид титана от 86 до 173 – Титанат стронция 310 8 Титанат бария от 1 200 до 10 000 – Титанат кальция меди > 250 000 –

  Не все вещества, перечисленные в таблице, являются хорошими изоляторами, несмотря на их высокие диэлектрические постоянные. Вода, например, состоит из полярных молекул и имеет большую диэлектрическую проницаемость около 80. В молекуле воды электроны с большей вероятностью находятся вокруг ядра кислорода, чем вокруг ядра водорода. Это делает кислородный конец молекулы слегка отрицательным, а конец водорода оставляет слегка положительным, что позволяет легко выровнять молекулу вдоль внешнего электрического поля, и, таким образом, вода имеет большую диэлектрическую проницаемость. Однако полярная природа молекул воды также делает воду хорошим растворителем для многих веществ, что приводит к нежелательным эффектам, поскольку любая концентрация свободных ионов в воде проводит электричество. 9{2}[/латекс]. Определите: (а) электрическое поле между пластинами до и после введения Teflon™ и (b) поверхностный заряд, индуцированный на поверхностях Teflon™.

  Стратегия

  В части (a) мы знаем, что напряжение на пустом конденсаторе равно [latex]{V}_{0}=40\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{V }[/latex], поэтому для нахождения электрических полей мы используем соотношение [latex]V=Ed[/latex] и уравнение 8. {-10}\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{C}[/latex], полученные в примере 8.10. 9{3}\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{В/м}\text{.}[/latex]

• Эффективный заряд конденсатора представляет собой разницу между свободным зарядом [латекс]{Q}_{0}[/латекс] и индуцированным зарядом [латекс]{Q}_{\text{i}}[/латекс] . Электрическое поле в Teflon™ вызвано этим эффективным зарядом. Таким образом,

  [латекс] E = \ frac {1} {{\ epsilon} _ {0}} \ sigma = \ frac {1} {{\ epsilon} _ {0}} \ phantom {\ rule {0.2em} { 0ex}}\frac{{Q}_{0}-{Q}_{\text{i}}}{A}.[/latex]

  
  Мы инвертируем это уравнение, чтобы получить [латекс]{Q}_{\text{i}}[/латекс], что дает 9{-10}\text{C}=0,42\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{nC}\text{.}\hfill \end{array}[/latex]

Пример

Вставка диэлектрика в конденсатор, подключенный к батарее

Когда батарея напряжением [латекс]{V}_{0}[/латекс] подключена через пустой конденсатор емкостью [латекс]{C}_ {0}[/latex], заряд на его пластинах равен [латекс]{Q}_{0}[/латекс], а электрическое поле между пластинами равно [латекс]{E}_{0}[/латекс ]. Между пластинами 9 вставлен диэлектрик с диэлектрической проницаемостью [латекс]\каппа[/латекс].0020, в то время как батарея остается на месте , как показано на рисунке 8.22. а) Найдите емкость Кл , напряжение В на конденсаторе и электрическое поле между пластинами после введения диэлектрика. (б) Получите выражение для свободного заряда Q на обкладках заполненного конденсатора и индуцированного заряда [латекс]{Q}_{\text{i}}[/латекс] на поверхности диэлектрика через плата за оригинальную пластину [латекс]{Q}_{0}[/латекс].

Рисунок 8.22  В заряженный конденсатор вставлен диэлектрик, в то время как конденсатор остается подключенным к батарее.

Стратегия

Идентифицируем известные значения: [латекс]{V}_{0}[/латекс], [латекс]{C}_{0}[/латекс],[латекс]{E}_{0} [/латекс], [латекс]\каппа[/латекс] и [латекс]{Q}_{0}[/латекс]. Наша задача состоит в том, чтобы выразить неизвестные значения через эти известные значения.

Решение

Показать ответ

(a) Емкость заполненного конденсатора равна [латекс]С=\каппа {С}_{0}[/латекс]. Так как батарея всегда соединена с пластинами конденсатора, разность потенциалов между ними не меняется; следовательно, [латекс]V={V}_{0}[/латекс]. Из-за этого электрическое поле в заполненном конденсаторе такое же, как поле в пустом конденсаторе, так что мы можем напрямую получить, что

[латекс]E=\frac{V}{d}=\frac{{V}_{0}}{d}={E}_{0}.[/latex]

(b) Для заполненного конденсатора свободный заряд на обкладках равен

[латекс]Q=CV=\left(\каппа {C}_{0}\right){V}_{0}=\каппа \left({C}_{0}{V}_{0} \right)=\каппа {Q}_{0}.[/latex]

Электрическое поле E в заполненном конденсаторе обусловлено эффективным зарядом [латекс]Q-{Q}_{\text{i}}[/латекс] (рис. 8.22(б)). Так как [latex]E={E}_{0}[/latex], у нас есть

[латекс]\frac{Q-{Q}_{\text{i}}}{{\epsilon}_{0}A}=\frac{{Q}_{0}}{{\epsilon}_ {0}А}.[/латекс]

Решая это уравнение для [латекса]{Q}_{\text{i}}[/латекса], мы получаем для индуцированного заряда

[латекс] {Q} _ {\ text {i}} = Q- {Q} _ {0} = \ каппа {Q} _ {0} — {Q} _ {0} = \ влево (\ каппа — 1\справа){Q}_{0}. [/latex]

Значение

Обратите внимание, что для материалов с диэлектрической проницаемостью больше 2 (см. Таблицу 8.1) индуцированный заряд на поверхности диэлектрика больше, чем заряд на пластинах вакуумного конденсатора. Противоположное верно для таких газов, как воздух, диэлектрическая проницаемость которых меньше 2,9.0003

Проверьте свое понимание

Продолжая пример 8.12, покажите, что когда батарея соединена поперек пластин, энергия, накопленная в конденсаторе с диэлектриком, равна [латекс]U=\каппа {U}_{0}[/латекс] (больше чем энергия [латекс]{U}_{0}[/латекс] пустого конденсатора при том же напряжении). Сравните этот результат с результатом [latex]U={U}_{0}\text{/}\kappa[/latex], найденным ранее для изолированного заряженного конденсатора.

Проверьте свое понимание

Повторите расчеты примера 8.10 для случая, когда батарея остается подключенной, а диэлектрик находится в конденсаторе.

Показать раствор

а. [латекс] {C} _ {0} = 20 \ фантом {\ правило {0. 2em} {0ex}} \ текст {pF} [/латекс], [латекс] C = 42 \ фантом {\ правило {0.2em} {0ex}}\text{pF}[/latex]; б. [латекс] {Q} _ {0} = 0,8 \ фантом {\ правило {0,2em} {0ex}} \ текст {nC} [/ латекс], [латекс] Q = 1,7 \ фантом {\ правило {0,2em} {0ex}}\text{nC}[/latex]; в. [латекс]{V}_{0}=V=40\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{V}[/latex]; д. [латекс] {U} _ {0} = 16 \ фантом {\ правило {0.2em} {0ex}} \ текст {nJ} [/латекс], [латекс] U = 34 \ фантом {\ правило {0.2em} {0ex}}\text{nJ}[/латекс]

Резюме

• Когда диэлектрик вставлен между пластинами конденсатора, на двух сторонах диэлектрика индуцируется одинаковый и противоположный поверхностный заряд. Индуцированный поверхностный заряд создает индуцированное электрическое поле, противодействующее полю свободного заряда на обкладках конденсатора.
• Диэлектрическая проницаемость материала представляет собой отношение электрического поля в вакууме к суммарному электрическому полю в материале. Конденсатор, заполненный диэлектриком, имеет большую емкость, чем пустой конденсатор.
• Диэлектрическая прочность изолятора представляет собой критическую величину электрического поля, при которой молекулы изоляционного материала начинают ионизироваться. Когда это происходит, материал может проводить ток и наблюдается пробой диэлектрика.

Ключевые уравнения

The fifth row contains “Capacitance of a series combination” and “inverse of C subscript S equals inverse of C subscript 1 plus inverse of C subscript 2 plus inverse of C subscript 3 and so on”. The sixth row contains “Capacitance of a parallel combination” and “C subscript p equals C subscript 1 plus C subscript 2 plus C subscript 3 and so on”. The seventh row contains “Energy density” and “u subscript E equals half epsilon subscript 0 E square”. The eighth row contains “Energy stored in a capacitor” and “U subscript c equals half V square C equals half Q square divided by C equals half Q V”. The ninth row contains “Capacitance of a capacitor with dielectric” and “C equals kappa C subscript 0”. The tenth row contains “Energy stored in an isolated capacitor with dielectric” and “U equals 1 divided by kappa U subscript 0”. The eleventh row contains “Dielectric constant” and “kappa equals E subscript 0 divided by E”. The twelfth row contains “Induced electrical field in a dielectric” and “vector E subscript i equals opening parenthesis 1 divided by kappa minus 1 closing parenthesis vector E subscript 0”. «>

Емкость	[латекс]C=\frac{Q}{V}[/латекс]
Емкость плоского конденсатора	[латекс] C = {\ эпсилон} _ {0} \ frac {A} {d} [/ латекс]
Емкость вакуумного сферического конденсатора	[латекс] C = 4 \ pi {\ эпсилон} _ {0} \ frac {{R} _ {1} {R} _ {2}} {{R} _ {2} — {R} _ {1 }}[/латекс]
Емкость вакуумного цилиндрического конденсатора	[латекс] C = \ frac {2 \ pi {\ epsilon } _ {0} l} {\ text {ln} \ left ({R} _ {2} \ text{/}{R} _ {1} \справа)}[/латекс]
Емкость последовательной комбинации	[латекс]\frac{1}{{C}_{\text{S}}}=\frac{1}{{C}_{1}}+\frac{1}{{C}_{2 }}+\frac{1}{{C}_{3}}+\text{⋯}[/latex] 9{2}}{C}=\frac{1}{2}QV[/латекс]
Емкость конденсатора с диэлектриком	[латекс]C=\каппа {C}_{0}[/латекс]
Энергия, накопленная в изолированном конденсаторе с диэлектриком	[латекс]U=\frac{1}{\каппа}{U}_{0}[/латекс]
Диэлектрическая проницаемость	[латекс]\каппа =\frac{{E}_{0}}{E}[/латекс]
Наведенное электрическое поле в диэлектрике	[латекс] {\ stackrel {\ to } {\ textbf {E}}} _ {\ text {i}} = \ left (\ frac {1} {\ kappa} -1 \ right) {\ stackrel {\ в }{\textbf{E}}}_{0}[/latex]

Концептуальные вопросы

Различие между диэлектрической прочностью и диэлектрической проницаемостью.

Показать решение

Диэлектрическая прочность — это критическое значение электрического поля, выше которого изолятор начинает проводить ток; диэлектрическая проницаемость — это отношение электрического поля в вакууме к чистому электрическому полю в материале.

Вода является хорошим растворителем, так как имеет высокую диэлектрическую проницаемость. Объяснять.

Вода имеет высокую диэлектрическую проницаемость. Объясните, почему его тогда не используют в качестве диэлектрического материала в конденсаторах.

Show Solution

Вода является хорошим растворителем.

Объясните, почему на молекулы в диэлектрическом материале действуют результирующие силы в неоднородном электрическом поле, но не в однородном поле.

Объясните, почему диэлектрическая проницаемость вещества, содержащего постоянные молекулярные электрические диполи, уменьшается с повышением температуры.

Показать решение

Когда энергия теплового движения велика (высокая температура), электрическое поле также должно быть большим, чтобы удерживать электрические диполи на одном уровне с ним.

Объясните, почему диэлектрический материал увеличивает емкость по сравнению с тем, что было бы с воздухом между пластинами конденсатора. Каким образом диэлектрический материал позволяет прикладывать к конденсатору большее напряжение? (Таким образом, диэлектрическая проницаемость увеличивает C и допускает большее В .)

Уточните, каким образом полярный характер молекул воды помогает объяснить относительно большую диэлектрическую проницаемость воды.

Показать решение

ответы могут отличаться

Искры будут возникать между пластинами воздушного конденсатора при более низком напряжении, когда воздух влажный, чем когда он сухой. Обсудите почему, учитывая полярный характер молекул воды.

Задачи

Две плоские пластины, содержащие одинаковые и противоположные заряды, разделены материалом толщиной 4,0 мм с диэлектрической проницаемостью 5,0. Если электрическое поле в диэлектрике равно 1,5 МВ/м, то какова (а) плотность заряда на обкладках конденсатора и (б) плотность индуцированного заряда на поверхности диэлектрика? 9{2}[/латекс]

Когда воздушный конденсатор емкостью 360 нФ подключен к источнику питания, энергия, накопленная в конденсаторе, составляет [латекс]18,5\фантом{\правило{0,2em}{0ex}}\мю \текст{Дж}[/латекс] . Пока конденсатор подключен к источнику питания, в него вставляется пластинка диэлектрика, полностью заполняющая пространство между пластинами. Это увеличивает накопленную энергию на [латекс] 23,2 \ фантом {\ правило {0,2em} {0ex}} \ мю \ текст {J} [/латекс]. а) Чему равна разность потенциалов между обкладками конденсатора? б) Чему равна диэлектрическая проницаемость пластины?

Конденсатор с плоскими пластинами имеет квадратные пластины со стороной 8,00 см и расстоянием друг от друга 3,80 мм. Пространство между пластинами полностью заполнено двумя квадратными пластинами диэлектрика со стороной 8,00 см каждая и толщиной 1,90 мм. Одна плита из стекла Pyrex, а другая плита из полистирола. Если разность потенциалов между пластинами равна 86,0 В, найдите, какое количество электроэнергии может запастись в этом конденсаторе.

Показать раствор

[латекс]0,185\фантом{\правило{0.2em}{0ex}}\мю \текст{J}[/латекс]

Дополнительные задачи

Конденсатор состоит из двух плоских параллельных пластин, расположенных на расстоянии 0,40 мм друг от друга. При размещении на пластинах заряда [латекс]0,020\фантом{\rule{0,2em}{0ex}}\text{μ}\text{C}[/latex] разность потенциалов между ними составляет 250 В. ( а) Какова емкость пластин? б) Чему равна площадь каждой тарелки? в) Чему равен заряд пластин, если разность потенциалов между ними равна 500 В? г) Какую максимальную разность потенциалов можно приложить между пластинами, чтобы величина электрических полей между пластинами не превышала 3,0 МВ/м?

Заполненный воздухом (пустой) конденсатор с плоскими пластинами состоит из двух квадратных пластин со стороной 25 см и расстоянием друг от друга 1,0 мм. Конденсатор подключен к батарее 50 В и полностью заряжен. Затем его отсоединяют от батареи, и его пластины раздвигаются на расстояние 2,00 мм. а) Какова емкость этого нового конденсатора? б) Чему равен заряд каждой пластины? в) Чему равно электрическое поле между пластинами?

Показать раствор

а. 0,277 нФ; б. 27,7 нКл; в. 50 кВ/м

Предположим, что емкость переменного конденсатора может быть изменена вручную от 100 до 800 пФ путем поворота диска, соединенного валом с одним набором пластин, от [латекс]0\текст{°}[/латекс] до [латекс] 180\текст{°}[/латекс]. С циферблатом, установленным на [латекс]180\текст{°}[/латекс] (соответствует [латекс]С=800\фантом{\правило{0.2em}{0ex}}\текст{пФ}[/латекс]) , конденсатор подключен к источнику 500 В. После зарядки конденсатор отключается от источника, а циферблат поворачивается на [латекс]0\текст{°}[/латекс]. а) Чему равен заряд конденсатора? (b) Каково напряжение на конденсаторе, когда циферблат установлен на [latex]0\text{°}\text{?}[/latex]

Землю можно рассматривать как сферический конденсатор с двумя пластинами, где отрицательная пластина — поверхность Земли, а положительная пластина — дно ионосферы, расположенное на высоте примерно 70 км. Разность потенциалов между поверхностью Земли и ионосферой составляет около 350 000 В. а) Рассчитайте емкость этой системы. б) Найдите полный заряд этого конденсатора. в) Найдите энергию, запасенную в этой системе.

Показать раствор

а. 0,065 Ф; б. 23000 С; в. 4,0 ГДж

Конденсатор [латекс]4,00\текст{-}\мю\текст{F}[/латекс] и конденсатор [латекс]6,00\текст{-}\мю\текст{F}[/латекс] соединены параллельно по линии питания 600 В. а) Найдите заряд каждого конденсатора и напряжение на каждом из них. (b) Заряженные конденсаторы отключены от линии и друг от друга. Затем они снова соединяются друг с другом клеммами разного знака вместе. Найдите окончательный заряд каждого конденсатора и напряжение на каждом из них.

Три конденсатора емкостью 8,40, 8,40 и 4,20 [латекс]\text{μ}\text{F}[/латекс] соответственно соединены последовательно через разность потенциалов 36,0 В. а) Каков заряд конденсатора [латекс]4.20\текст{-}\текст{мк}\текст{F}[/латекс]? (b) Конденсаторы отключены от разности потенциалов, не позволяя им разрядиться. Затем они снова соединяются параллельно друг с другом с положительно заряженными пластинами, соединенными вместе. Чему равно напряжение на каждом конденсаторе в параллельном соединении?

Показать раствор

а. [латекс] 75,6 \ фантом {\ правило {0.2em} {0ex}} \ текст {μ} \ текст {C} [/латекс]; б. 10,8 В

Плоско-пластинчатый конденсатор емкостью [латекс]5,0\phantom{\rule{0,2em}{0ex}}\text{μ}\text{F}[/latex] заряжается от батареи 12,0 В, после чего батарея отключена. Определите минимальную работу, необходимую для увеличения расстояния между пластинами в 3 раза.

а) Сколько энергии хранится в электрических полях конденсаторов (всего), показанных ниже? б) Равна ли эта энергия работе, совершаемой источником 400 В при зарядке конденсаторов?

Показать раствор

а. 0,13 Дж; б. нет, из-за резистивного нагрева в соединительных проводах, который присутствует всегда, но на схеме резисторы не указаны


Три конденсатора емкостью 8,4, 8,4 и 4,2 [латекс]\text{мк}\текст{F}[/латекс] соединены последовательно через разность потенциалов 36,0 В. а) Какова общая энергия, накопленная во всех трех конденсаторах? (b) Конденсаторы отключены от разности потенциалов, не позволяя им разрядиться. Затем они снова соединяются параллельно друг с другом с положительно заряженными пластинами, соединенными вместе. Какова полная энергия, накопленная теперь в конденсаторах?

(a) Конденсатор [латекс]8,00\текст{-}\мю\текст{F}[/латекс] подключен параллельно другому конденсатору, что дает общую емкость [латекс]5,00\фантом{\правило{ 0. 2em}{0ex}}\mu \text{F}[/latex]. Какова емкость второго конденсатора? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения являются необоснованными или непоследовательными?

Показать раствор

а. [латекс]\текст{−3.00}\фантом{\правило{0.2em}{0ex}}\текст{μ}\текст{F}[/латекс]; б. У вас не может быть отрицательной [латексной]{C}_{2}[/латексной] емкости. в. Предположение, что они были подключены параллельно, а не последовательно, неверно. Параллельное соединение всегда дает большую емкость, а здесь предполагалась меньшая емкость. Это может произойти только в том случае, если конденсаторы соединены последовательно. 9{2}[/латекс], разделенных нейлоном толщиной 0,0100 мм, и сохраняет заряд 0,170 С. Какое приложенное напряжение? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения ответственны или непоследовательны?

Показать раствор

а. 14,2 кВ; б. Напряжение неоправданно велико, более чем в 100 раз превышает напряжение пробоя нейлона. в. Предполагаемый заряд неоправданно велик и не может храниться в конденсаторе таких размеров.

Шутник подает напряжение 450 В на конденсатор [латекс]80.0\text{-}\mu \text{F}[/latex], а затем бросает его ничего не подозревающей жертве. Палец пострадавшего обожжен разрядом конденсатора через 0,200 г плоти. Прикиньте, каково повышение температуры тела? Разумно ли предположить, что никакого термодинамического фазового перехода не произошло?

Задачи-вызовы

Сферический конденсатор состоит из двух концентрических сферических проводящих сфер, разделенных вакуумом. Внутренняя сфера имеет радиус 12,5 см, а внешняя сфера имеет радиус 14,8 см. На конденсатор подается разность потенциалов 120 В. а) Какова емкость конденсатора? (b) Какова величина электрического поля в точке [латекс]r=12,6\фантом{\правило{0,2em}{0ex}}\текст{см}[/латекс], сразу за внутренней сферой? (c) Какова величина электрического поля в точке [латекс]r=14,7\фантом{\правило{0,2эм}{0ех}}\текст{см}[/латекс], только внутри внешней сферы? (d) Для конденсатора с плоскими пластинами электрическое поле однородно в области между пластинами, за исключением краев пластин. Верно ли это и для сферического конденсатора?

Показать раствор

а. 89,6 пФ; б. 6,09 кВ/м; в. 4,47 кВ/м; д. №

Сеть конденсаторов, показанная ниже, полностью разряжена, когда потенциал 300 В подается между точками A и B при разомкнутом переключателе S. (a) Какова разность потенциалов [латекс]{V}_{E}-{V}_{D}[/латекс]? б) Каков потенциал в точке Е после замыкания ключа? в) Какой заряд проходит через переключатель после его замыкания?

Электронные вспышки для фотоаппаратов содержат конденсатор для накопления энергии, используемой для создания вспышки. В одном из таких устройств вспышка длится 1/675 доли секунды при средней световой мощности 270 кВт. а) Если преобразование электрической энергии в свет равно 9КПД 5% (поскольку вся остальная энергия уходит в тепловую энергию), сколько энергии необходимо запасти в конденсаторе для одной вспышки? (b) Конденсатор имеет разность потенциалов между его пластинами 125 В, когда накопленная энергия равна значению, сохраненному в части (а). Какова емкость?

Показать раствор

а. 421 Дж; б. 53,9 мФ

Сферический конденсатор состоит из двух концентрических сферических проводящих оболочек, разделенных вакуумом. Внутренняя сфера имеет радиус 12,5 см, а внешняя сфера имеет радиус 14,8 см. На конденсатор подается разность потенциалов 120 В. (a) Какова плотность энергии в точке [латекс]r=12,6\фантом{\правило{0,2em}{0ex}}\текст{см}[/латекс] сразу за внутренней сферой? (b) Какова плотность энергии в точке [латекс]r=14,7\фантом{\правило{0,2em}{0ex}}\текст{см}[/латекс] сразу внутри внешней сферы? (в) Для конденсатора с плоскими пластинами плотность энергии одинакова в области между пластинами, за исключением краев пластин. Верно ли это и для сферического конденсатора?

Металлическая пластина толщиной t удерживается между двумя пластинами конденсатора пластиковыми штифтами, как показано ниже. Влияние прищепок на емкость незначительно. Площадь каждой пластины конденсатора и площадь верхней и нижней поверхностей вставленной пластины равны A . Какова емкость этой системы?


Показать решение

[латекс]C={\epsilon}_{0}A\text{/}\left({d}_{1}+{d}_{2}\right)[ /латекс]

Конденсатор с плоскими пластинами заполнен двумя диэлектриками, как показано ниже. Когда площадь тарелки равна A и расстояние между пластинами равно d , покажите, что емкость определяется выражением

[латекс] C = {\ epsilon } _ {0} \ frac {A} {d} \ phantom {\ rule {0,2em }{0ex}}\frac{{\kappa}_{1}+{\kappa}_{2}}{2}.[/latex]

Плоский конденсатор заполнен двумя диэлектриками, как показано ниже. Покажите, что емкость определяется выражением

[латекс] C = 2 {\ эпсилон} _ {0} \ frac {A} {d} \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} \ frac {{\ kappa }_{1}{\каппа}_{2}}{{\каппа}_{1}+{\каппа}_{2}}.[/латекс] 9{2}[/латекс] с шагом 2,0 мм. Пространство между плитами заполнено пенопластом. а) Найдите максимально допустимое напряжение на конденсаторе, чтобы избежать пробоя диэлектрика. (б) Когда напряжение равно значению, указанному в пункте (а), найдите поверхностную плотность заряда на поверхности диэлектрика.

Глоссарий

пробой диэлектрика

явление, которое возникает, когда изолятор становится проводником в сильном электрическом поле

электрическая прочность

критическая напряженность электрического поля, выше которой молекулы в изоляторе начинают разрушаться и изолятор начинает проводить

индуцированный электрический дипольный момент

дипольный момент, который может приобрести неполярная молекула, если ее поместить в электрическое поле

индуцированное электрическое поле

электрическое поле в диэлектрике из-за наличия индуцированных зарядов

индуцированные поверхностные заряды

заряды, возникающие на поверхности диэлектрика вследствие его поляризации

Лицензии и авторские права

Молекулярная модель диэлектрика. Автор : Колледж OpenStax. Расположен по адресу : https://openstax. org/books/university-physics-volume-2/pages/8-5-молекулярно-модель-диэлектрика. Лицензия : CC BY: Attribution . Условия лицензии : Загрузите бесплатно по адресу https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/1-introduction

Типы и свойства диэлектрических материалов для дисплеев

Диэлектрический материал не является проводником электричества, и эти материалы могут быть чрезвычайно поляризованы с помощью электрического поля для накопления электрического заряда. Диэлектрический материал рассеивает и накапливает электрический заряд подобно идеальному конденсатору. Существует два типа диэлектрических материалов дисплея: полярные и неполярные. Диэлектрические материалы дисплея используются в дисплеях, таких как OLED, LED, LCD и т. д.

Принси А. Дж  | 04 июня 2020 г.

Материалы классифицируются как изоляторы, проводники и полупроводники на основе их электропроводных свойств. В электрическом поле атомы вещества претерпевают определенные изменения и смещения свойств. Согласно эксперименту, проведенному Эвальдом Георгом фон Клейстом в октябре 1745 года, он показал, что энергию можно хранить. На основе этого эксперимента Питер ван Мусшенбрук изобрел «лейденскую банку», которая считается первым конденсатором. «Диэлектрик» был следующим изобретением, подкрепившим новое свойство материала.

Диэлектрические материалы представляют собой вещества, плохо проводящие электричество, и эти материалы могут быть сильно поляризованы с помощью электрического поля для накопления электрической энергии. Диэлектрические материалы, помещенные в приложенное электрическое поле, могут смещаться из положения равновесия электрического материала из-за отсутствия прохождения электричества к этим материалам. Это смещение называется электрической поляризацией. Согласно обзору дайв-аналитиков Research, диэлектрические материалы обладают постоянным электрическим дипольным моментом, который представляет собой единицу, которая может разделять положительные и отрицательные заряды на небольшое расстояние. Диэлектрические материалы в основном используются в дисплеях, таких как OLED, LED, LCD и других.

Свойства диэлектрических материалов для дисплеев

Уильям Уэвелл был первым, кто представил миру термин «диэлектрик», который представляет собой объединение двух слов: «диаметр» и «электрический». Для идеального диэлектрического материала электропроводность равна нулю. Диэлектрический материал рассеивает и сохраняет электрический заряд подобно идеальному конденсатору. Основными свойствами диэлектрического материала дисплея являются диэлектрическая поляризация, электрическая восприимчивость, диэлектрическая дисперсия, прочность, диэлектрическая релаксация и т. д.

•    Диэлектрическая поляризация

Электрический дипольный момент является мерой разделения положительного и отрицательного заряда в системе. При воздействии электрического поля связь между электрическим полем (Е) и дипольным моментом (М) приводит к возникновению диэлектрических свойств, и изделия возвращаются в исходное состояние. Это время, необходимое атому для достижения своего исходного состояния, называется временем релаксации.

•    Электрочувствительность

Электрическая восприимчивость используется для измерения того, насколько легко диэлектрические материалы могут сильно поляризоваться при воздействии электрического поля. По этой величине можно определить электрическую проницаемость этих материалов.

•    Общая поляризация

Два фактора, которые определяют поляризацию диэлектрических материалов:

1. Формирование дипольного момента и,
2. Их направление связано с электрическим полем.

На основе элементарного дипольного типа может быть либо ионная поляризация, либо электронная поляризация. Pe (электронная поляризация) возникает, когда дипольный момент состоит из нейтральных частиц. С другой стороны, электронная поляризация или Pi (ионная поляризация) не зависят от температуры.

•    Пробой диэлектрика

Изолятор начинает вести себя как проводник при приложении более сильных электрических полей. Диэлектрические свойства теряются диэлектрическими материалами в таких условиях, что известно как пробой диэлектрика. Этот процесс необратим, так как приводит к неработоспособности диэлектрических материалов.

Типы диэлектрических материалов

В зависимости от типа молекул, присутствующих в материалах, диэлектрики подразделяются на два типа — полярные и неполярные диэлектрические материалы.

1. Полярные диэлектрические материалы

В этом типе диэлектрических материалов центр масс отрицательных частиц не совпадает с центром масс положительных частиц. Форма молекул несимметрична и дипольный момент здесь присутствует. Молекулы выравниваются при приложении электрического поля. Однако при снятии электрического поля обнаруживается случайный дипольный момент, в результате чего чистый дипольный момент становится равным нулю. Примеры: CO2, h3O и т. д.

2.    Неполярные диэлектрические материалы

В этом типе диэлектрических материалов центры масс отрицательных и положительных частиц совпадают. В этих молекулах отсутствует дипольный момент, и они симметричны по форме. Примерами являются O2, N2, h3 и т. д.

Примеры диэлектрических материалов

Диэлектрическими материалами могут быть вакуум, газы, жидкости и твердые тела. Твердые диэлектрические материалы широко используются в электротехнике. Некоторыми примерами этих материалов являются стекло, керамика, фарфор, бумага и т. д. Примерами газообразных диэлектрических материалов являются оксиды некоторых металлов, азот, сухой воздух и гексафторид серы. Трансформаторное масло, дистиллированная вода являются распространенными примерами жидких диэлектрических материалов.

Об авторе (авторах)

Принси А. Дж.

Принси имеет степень бакалавра в области гражданского строительства, полученную в престижном университете Тамил Наду доктора М.Г.Р. Университет в Ченнаи, Индия. После успешной академической успеваемости она продолжила свою страсть к писательству. Тщательный профессионал и писатель-энтузиаст, она любит писать о различных категориях и достижениях в мировых отраслях. Она играет важную роль в написании текущих обновлений, новостей, блогов и тенденций.

Диэлектрики и поляризация — GeeksforGeeks

Вы замечали, сколько изоляторов сделано из дерева, пластика или стекла? Но почему? Когда мы используем дерево или пластик, почему нас не ударяет током? Почему вы получаете сильные удары током только от металлических проводов? В этой главе мы рассмотрим диэлектрики, поляризацию, диэлектрическую проницаемость и многое другое. Мы также рассмотрим некоторые типичные приложения и примеры этих диэлектриков.

Что такое диэлектрик?

Непроводящие материалы известны как диэлектрики. Они являются изоляционными материалами и плохими проводниками электрического тока. Диэлектрические материалы могут сохранять электростатический заряд, теряя очень мало энергии в виде тепла. Слюда, пластмассы, стекло, фарфор и другие оксиды металлов являются примерами диэлектриков. Также важно отметить, что даже сухой воздух является диэлектриком.

Классификация диэлектриков

Диэлектрики бывают двух типов:

• Полярные молекулы: Полярные молекулы — это те типы диэлектриков, в которых вероятность столкновения положительных и отрицательных молекул равна нулю или равна нулю. Это потому, что все они асимметричны по форме. H ₂ O, CO ₂ , NO ₂ и другие газы являются примерами. В отсутствие электрического поля электрический дипольный момент этих молекул движется в непредсказуемом направлении. В результате средний дипольный момент равен 0. Если есть внешнее электрическое поле, молекулы будут собираться в том же направлении, что и электрическое поле.
• Неполярная молекула: В отличие от полярных молекул центр положительного и отрицательного заряда в неполярных молекулах не совпадает, т. е. равен нулю. В молекуле больше нет постоянного (или присущего) дипольного момента. Примеры включают O ₂ , N ₂ , H ₂ и другие.

Индуцированный электрический дипольный момент

Когда к неполярной молекуле приложено внешнее электрическое поле, все протоны движутся в том же направлении, что и электрическое поле, а электроны движутся в противоположном направлении. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока внутренние давления не будут уравновешены из-за существования электрического поля. Это приводит к образованию двух центров заряда. Мы называем их индуцированным электрическим диполем, потому что они поляризованы. Индуцированный электрический дипольный момент — это дипольный момент.

Поляризуемость

Когда вещество подвергается воздействию электрического поля, оно склонно развивать электрический дипольный момент, пропорциональный приложенному полю. Поскольку материя состоит из элементарных частиц с электрическим зарядом, таких как протоны и электроны, она является свойством всей материи.

Отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные атомные ядра подвергаются воздействию противоположных сил и подвергаются разделению зарядов при воздействии электрического поля. Диэлектрическая проницаемость, а на высоких (оптических) частотах и ​​показатель преломления материала определяются его поляризуемостью.

Приложенное поле пропорционально индуцированному дипольному моменту и не зависит от температуры. Для одиночного полярного атома направление индуцированного дипольного момента (x) параллельно направлению электрического поля E. Поляризуемость связанной системы влияет на ее динамическую чувствительность к внешним полям.

Он также дает информацию о внутренней структуре молекулы. Поляризуемость твердого тела определяется как дипольный момент на единицу объема кристаллической ячейки:

P = ε ₀ α E

где α — атомная поляризуемость, а E — электрическое поле.

Единицей измерения в системе СИ является м3, а размеры равны объему.

Электрическая поляризация

Когда пластину диэлектрика помещают в электрическое поле, молекула приобретает дипольный момент. В таких случаях говорят, что диэлектрик поляризован. Электрическая поляризация диэлектрического вещества — это дипольный момент на единицу объема. P — это символ поляризации.

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение напряженности приложенного электрического поля к напряженности уменьшенного значения электрического поля конденсатора, когда диэлектрическая пластина помещается между параллельными пластинами. Формула выглядит следующим образом:

ε _r = E ₀ / E

, где E ₀ — приложенное электрическое поле, E — чистое поле, & ε _r — диэлектрическая проницаемость.

Чем выше диэлектрическая проницаемость, тем большее количество заряда может удерживаться. Емкость конденсатора увеличивается на коэффициент диэлектрической проницаемости, когда зазор между пластинами полностью заполнен диэлектриком. C = ε _r C0, где C0 — емкость между пластинами без диэлектрика.

Электрическая прочность диэлектрика

Диэлектрическая прочность изоляционного материала — это наивысшая напряженность электрического поля, которую он может выдержать без потери своих изоляционных характеристик.

Диэлектрическая поляризация

Диэлектрическая поляризация возникает, когда внешнее электрическое поле воздействует на диэлектрическое вещество. При приложении электрического поля заряды (как положительные, так и отрицательные) смещаются. Основная цель диэлектрической поляризации состоит в том, чтобы соединить макроскопические и микроскопические характеристики.

В случае пьезоэлектрических кристаллов поляризация вызывается действием электрического поля или других внешних переменных, таких как механическое напряжение. Твердые материалы, собирающие электрический заряд, известны как пьезоэлектрические кристаллы.

Диэлектрик В пироэлектрических кристаллах поляризация может также возникать спонтанно, особенно в сегнетоэлектриках. Сегнетоэлектричество — это особенность некоторых материалов, в которых спонтанная электрическая поляризация может быть обращена вспять приложением электрического поля.

Формула для поляризации приведена как:

P = ε ₀ χ _E E = ε ₀ (ε _R — 1) E

, где P — Pelarization, χ) E

. _e — восприимчивость, а E — электрическое поле.

Примеры вопросов

Вопрос 1: Электрическое поле внутри конденсатора составляет 50 В/м, а диэлектрическая проницаемость = 4,5. Что такое поляризация?

ОТВЕТ:

Дано:

Диэлектрическая постоянная, ε _R = 4,5

Электрическое поле, E = 50 В/м

Semartibilty, χ _E = ε _R 20502 4,5 − 1 = 3,5

Поляризация, P = χ _e E

= 3,5 × 50

= 175 Кл/м ²

Следовательно, поляризация равна 175 Кл/м ² .

Вопрос 2: Что такое диэлектрическая поляризация?

Ответ:

Когда к материалу прикладывается внешнее электрическое поле, для описания его поведения используется термин диэлектрическая поляризация. Внешнее электрическое поле вызывает появление дипольного момента в изоляционном материале, известное как диэлектрическая поляризация.

Когда ток взаимодействует с диэлектрическим (изолирующим) веществом, диэлектрический материал изменяет распределение своего заряда, при этом положительные заряды выравниваются с электрическим полем, а отрицательные заряды выравниваются с электрическим полем. Важные компоненты схемы, такие как конденсаторы, могут быть изготовлены с использованием этой реакции.

Вопрос 3: Относительная диэлектрическая проницаемость полистирола составляет 3,5. Какая поляризация возникает, если на лист полистирола толщиной 1,5 мм подается напряжение 240 В?

Answer:

Given that, 

Dielectric constant,

ε _r = 3. 5

ε ₀ = 8.85 × 10 ⁻¹² C / V m

Thickness, d = 1,5 мм = 1,5 × 10 ⁻³ M

напряжение, V = 240 В

Электрическое поле, E = V/D

= 240/(1,5 × 10 ^-3 ) ^В/М

= = 1,6 × 10 ⁵ В/м

Поляризация, P = ε ₀ (ε _R — 1) E

= 8,85 × 10 ⁻¹² × (3,5 — 1) × 1,5 × 10 ⁵ C/M ²

= 3,322 × ^{–61407 –61407 — 6907 — 6907 — 6907 — 6907 — 6907 — 6907 — 6907 — 6907 — 6907 –6907 — 6907 — 6907 –6907 — 6907 — 6907 — 6907 — 6907 — 6 2}

= 3,3208 ²

= 3,3208 ²

. Кл/м ²

Следовательно, поляризация в полистироле равна 3,32 × 10 ⁻⁶ Кл/м ² .

Вопрос 4: Объясните изоляторы и их свойства?

Ответ:

Изоляторы — это материалы, затрудняющие свободное протекание электрических зарядов. В атомах таких веществ электроны внешней оболочки прочно связаны с ядром. Эти химические вещества имеют высокое сопротивление прохождению электричества, поскольку в них отсутствуют свободные носители заряда. Стекло, алмаз, фарфор, пластик, нейлон, дерево, слюда и другие неметаллы являются изоляторами.

Свойства:

• Изоляторы имеют плохую проводимость и высокое сопротивление.
• Их атомы содержат электроны, которые прочно связаны и не мигрируют по всему веществу.
• Ток не может свободно течь, потому что электроны стоят неподвижно и не могут свободно двигаться.

Вопрос 5: Что такое диэлектрические материалы?

Ответ:

Диэлектрические материалы — это изоляционные материалы, плохо проводящие электрический ток. Когда диэлектрик помещается в электрическое поле, он показывает электрический диполь, что означает, что положительно и отрицательно заряженные объекты разделены на молекулярном или атомном уровне.