Какие диэлектрики называют полярными а какие неполярными

94.2. Какие диэлектрики называют полярными, а какие — неполярными

Задача из пособия: Мякишев, Буховцев, Сотский, 10 класс
Глава 14. Электростатика

Решение

Согласно воззрениям классической физики диэлектрики коренным образом отличаются от проводников тем, что в обычных условиях свободные электрические заряды в них отсутствуют. Суммарный заряд частиц, образующих молекулы диэлектриков, равен нулю. Однако это вовсе не означает, что молекулы данных веществ не способны проявлять электрических свойств.

Все известные линейные диэлектрики можно разделить на две большие группы: полярные диэлектрики и неполярные диэлектрики. Данное разделение вводится в силу различий в механизмах поляризации молекул каждого типа диэлектриков. На самом деле механизм поляризации оказывается исключительно важным аспектом в изучении как физических и химических свойств диэлектриков, так и в изучении их электрических свойств.

Неполярные диэлектрики называются еще нейтральными диэлектриками, потому что молекулы, из которых данные диэлектрики состоят, отличаются совпадением центров тяжести отрицательного и положительного зарядов внутри них. В результате получается, что молекулы неполярных диэлектриков не имеют собственного электрического момента, он равен нулю. И при отсутствии внешнего электрического поля положительные и отрицательные заряды молекул таких веществ расположены симметрично.

Если же внешнее электрическое поле к неполярному диэлектрику приложить, то положительные и отрицательные заряды в молекулах сместятся от исходного положения равновесия, молекулы превратятся в диполи, электрические моменты которых окажутся теперь пропорциональны напряженности приложенного к ним электрического поля, и будут направлены параллельно полю.

В качестве примеров неполярных диэлектриков, которые с успехом применяются сегодня как электроизоляционные материалы, можно привести следующие: полиэтилен, полистирол, углеводороды, нефтяные электроизоляционные масла и т. д. Также яркими представителями неполярных молекул являются, например, азот, углекислый газ, метан и т. д.

Неполярные диэлектрики благодаря низким значениям тангенса угла диэлектрических потерь находят широкое применение в качестве высокочастотных диэлектриков в конденсаторах, таких как К78-2.

У полярных диэлектриков, которые называются также дипольными диэлектриками, молекулы обладают собственным электрическим моментом, то есть молекулы их полярны. Причина в том, что у полярных диэлектриков молекулы имеют асимметричное строение, поэтому центры масс отрицательных и положительных зарядов в молекулах таких диэлектриков не совпадают.

Если в неполярном полимере некоторые из атомов водорода заменить на атомы других элементов или на не углеводородные радикалы, то получится как раз полярный (дипольный) диэлектрик, поскольку симметрия в результате такой замены нарушится. Определяя по химической формуле полярность вещества, исследователю следует, конечно, иметь представление о пространственном строении его молекул.

Когда внешнее электрическое поле отсутствует, оси молекулярных диполей из-за теплового движения ориентированы хаотично, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе его объема электрический заряд в среднем равен нулю. Однако при внесении диэлектрика во внешнее поле возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле направленное навстречу внешнему полю.

В качестве примеров полярных диэлектриков, можно назвать следующие: хлорированные углеводороды, эпоксидные и фенол-формальдегидные смолы, кремнийорганические соединения и т. д. Молекулы воды и спирта, например, также являются яркими примерами полярных молекул. Полярные диэлектрики находят широкое применение в различных областях техники, таких как пьезо- и сегнетоэлектричество, оптика, нелинейная оптика, электроника, акустика и др.

Вопрос. Что такое поляризация диэлектрика?

Ответ. Поляризацией называется состояние вещества, при котором элементарный объем диэлектрика приобретает электрический момент.

Вопрос. Что такое поляризованность диэлектрика?

Ответ. Поляризованность определяет интенсивность поляризации диэлектрика и является количественной характеристикой диэлектрика, выражая отношение электрического момента элемента диэлектрика к объему этого элемента

Вопрос. За счет чего возникает электрический момент в объеме диэлектрика?

Ответ. Возникновение электрического момента в объеме образца диэлектрического материала или участка электрической изоляции может происходить под действием электрического поля, механических напряжений или спонтанно (самопроизвольно).

Вопрос. Что называется относительной диэлектрической проницаемостью?

Ответ. Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение суммарного заряда конденсатора с диэлектриком к заряду того же конденсатора, если поместить его в вакууме без диэлектрика.

Вопрос. Какие диэлектрики называются линейными и нелинейными?

Ответ. Для линейных диэлектриков зависимость поляризованности от напряженности поля носит линейный характер, для нелинейных — нелинейный.

Вопрос. Какие диэлектрики называются неполярными?

Ответ. 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 равен нулю.

Вопрос. Какие неполярные диэлектрики применяются в качестве изоляционных материалов?

Ответ. Примером неполярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных, являются углеводородные материалы, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол.

Вопрос. Какие диэлектрики называются полярными?

Ответ. 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.

Вопрос. Какие полярные диэлектрики Вы знаете?

Ответ. К полярным диэлектрикам относятся фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др.

Вопрос. Назовите виды поляризации для ионных соединений.

Ответ. Ионные соединения представляют собой твердые неорганические диэлектрики с ионным типом химической связи. Для них характерны кроме электронной, ионная и ионно-релаксационная поляризации.

Вопрос. В каких материалах наблюдаются только быстрые виды поляризации?

Ответ. Быстрые виды поляризации наблюдаются в неполярных диэлектриках и в кристаллических веществах с плотной упаковкой ионов.

Вопрос. В каких материалах наблюдается ионно-релаксационная поляризация?

Ответ. Кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой ионов в решетке имеют ионно-релаксационную поляризацию. К ним относятся неорганические стекла, электротехнический фарфор, ситаллы, микалекс.

Вопрос. В чем состоит физическая сущность электронной поляризации?

Ответ. Электронная поляризация — смещение электронного облака относительно центра ядра атома или иона, в результате чего возникает электрический момент, исчезающий после окончания действия электрического поля.

Вопрос. Какая поляризация наблюдается во всех без исключения диэлектриках?

Ответ. Электронная поляризация.

Вопрос. В чем состоит физическая сущность ионной поляризации?

Ответ. Ионная поляризация — наблюдается в веществах с ионной химической связью и проявляется в смещении друг относительно друга разноименно заряженных ионов на расстояния меньше.

Вопрос. В чем состоит физическая сущность релаксационной поляризации?

Ответ. Релаксационные (замедленные) виды поляризации — проявляются в газах, жидкостях и твердых диэлектриках в том случае, если они состоят из полярных молекул, диполей или молекул, имеющих отдельные радикалы или части (сегменты), обладающие собственными электрическими моментами.

Вопрос. Какие виды релаксационных поляризаций для твердых диэлектриков Вы знаете?

Ответ. В твердых диэлектриках возможны различные разновидности релаксационных поляризаций, связанные, главным образом, с химическим составом, структурой и типом дефектов поляризации: электронно-релаксационная; ионно-релаксационная; дипольно-релаксационная, миграционная; спонтанная.

Вопрос. Какие поляризации происходят с рассеянием (потерями) энергии приложенного электрического поля и выделением тепла в материале?

Ответ. Замедленные поляризации.

Вопрос. В чем состоит физическая сущность дипольной поляризации?

Ответ. Дипольную поляризацию часто называют ориентационной, так как она проявляется в появлении некоторой упорядоченности в расположении полярных молекул, совершающих хаотические "тепловые" движения под действием электрического поля. При дипольно-радикальной или дипольно-сегментальной поляризации в некоторых полярных полимерах под действием поля происходит определенное упорядочение полярных радикалов или более крупных частей макромолекул — сегментов.

Вопрос. Объясните характер зависимости диэлектрической проницаемости от температуры для полярной жидкости.

Ответ. При низких температурах ориентация молекул электрическим полем затруднена, поэтому диэлектрическая проницаемость невелика. При повышении температуры из-за уменьшения вязкости ориентация молекул облегчается, что приводит к увеличению интенсивности дипольно-релаксационной поляризации и резкому росту диэлектрической проницаемости, которая, после достижения максимума, уменьшается, приблизительно обратно пропорционально температуре за счет роста теплового движения молекул, препятствующего упорядочению полярных молекул (диполей).

Вопрос. Объясните характер частотной зависимости диэлектрической проницаемости для полярных диэлектриков.

Ответ. С увеличением частоты в области низких частот диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков остается постоянной до тех пор, пока время релаксации дипольных молекул остается меньше полупериода электрического поля (1/2f), т.е. за это время диполи успевают полностью упорядочиться в направлении поля. При дальнейшем росте частоты, когда время полупериода становится меньше времени релаксации, которое от частоты не зависит, диэлектрическая проницаемость начинает уменьшаться вплоть до значений, определяемых электронной поляризацией.

Вопрос. В чем состоит физическая сущность ионно-релаксационной поляризации?

Ответ. Слабо связанные ионы вещества под действием приложенного электрического поля смещаются на расстояния, существенно превышающие величину смещения ионов при упругой ионной поляризации.

Вопрос. В чем состоит физическая сущность миграционной поляризации?

Ответ. Миграционная поляризация наблюдается в неоднородных диэлектриках, имеющих проводящие и полупроводящие включения, слои с различной проводимостью и т.п. При внесении неоднородных диэлектриков в электрическое поле свободные заряды смещаются и концентрируются на граничных слоях включений, в приэлектродных слоях и т.д., образуя пространственные заряды, поле которых внешне проявляет себя как "дополнительный" механизм поляризации.

Вопрос. Для каких материалов характерна электронно-релаксационная поляризация?

Ответ. Электронно-релаксационная поляризация характерна для твердых диэлектриков, содержащих дефекты или примесные ионы, способные захватывать электроны. Этот вид поляризации существенную роль играет в поликристаллической керамике типа рутила TiO2, перовскита CaTiO3, в керамических материалах, изготовленных на основе сложных оксидов титана, циркония, ниобия, тантала, свинца, церия, висмута, имеющих важное техническое значение.

Вопрос. Что называют сегнетоэлектрическими материалами?

Ответ. Сегнетоэлектрики обладают спонтанной поляризацией — наличием у них доменной структуры — взаимосвязанных микрообластей, в пределах которых векторы поляризации структурных ячеек имеют одинаковое направление и характеризуются высокими значениями диэлектрической проницаемости (до 1000–100000).

Вопрос. Для каких материалов диэлектрическая проницаемость близка к квадрату лучепреломления диэлектрика?

Ответ. Для неполярных диэлектриков.

Вопрос. Как зависит диэлектрическая проницаемость от температуры для сегнетоэлектриков ?

Ответ. Для сегнетоэлектриков характерны зависимости диэлектрической проницаемости от температуры с резко выраженным максимумом, который наблюдается вблизи точки перехода — точки Кюри Тк.

Вопрос. Как зависит ионно-релаксационная поляризуемость от температуры ?

Ответ. С увеличением температуры ионно-релаксационная поляризуемость нелинейно возрастает в результате ослабления связи между ионами и, главным образом, увеличения числа ионов, участвующих в этом виде поляризации.

Вопрос. До каких частот диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков остается постоянной ?

Ответ. Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков не зависит от частоты вплоть до частот, порядка 10 14 – 10 16 Гц. При таких частотах будет наблюдаться (резонансная) дисперсия проницаемости связанная с резонансной поляризацией.

Вопрос. Какая поляризация обычно исчезает в диэлектриках на частотах выше 10 МГц?

Оцените статью
Добавить комментарий