книги из ГПНТБ / Воробей З.Ф. Физика диэлектриков. Диэлектрики в постоянном электрическом поле конспект лекций

Это очень большая напряженность п о л я . Каждая

полярная

м о л е ­

кула находится в поде окружающих молекул,

которые,

как

п о к а ­

зывают исследования,

нѳ расположены х а о т и ч н о .

Дебаеграммы

полярных жидкостей указывают на наличие

ближнего

порядка

в

расположении м о л е к у л . Поэтому результирующее

поле

/Г2

м о л е ­

кул, окружающих данную,отличаегся

от н у л я . Внутренняя

н а п р я ­

женность поля

Еіц -

Еср + -^г

+ Ег

Для

полярных

жид-

костей еще не

р а с с ч и т а н а ,

но

совершенно

я с н о ,

что

любая

м о ­

лекула в полярной жидкости находится в огромном

поле о к р у ­

жающих ее молекул . Поэтому предположение

Дебая- " о том, что

молекулы в жидких диэлектриках могут свободно

вращаться,

я в ­

л я е т с я несправедливым. Дебай

пересмотрел

теорию

поляризации

.для полярных жидкостей и пришел к выводу,

что

поляризуемость

молекул дипольной жидкости отличается от

поляризуемости

этой

же

молекулы в

газообразном

с о с т о я н и и .

Если для

полярной молекулы в

г а з е

мы имеем

QW--еЦ.,

то

иг

>

Зкі

-

для

молекулы

в жидком

диэлектрике

ОдГ = ііЯ- (Цц)

г д е

Ri

к)

—• т а к называемый редукционный фактор,

характеризующий

с т е ­

Определит^ этот редукционный фактор не

п р е д с т а в л я е т с я

возможным. Еоли

по

известным

£

,

# е

и

tto

р а с с ч и т а т ь

RIX) для воды,

он

получается

равным

Rix)а 0 , 2 .

Было п р е д -

принято

много попыток

с в я з а т ь

диэлектрическую проницаемость

полярных

жидкостей

с

микроскопическими

конотактаии молекул .

-

100 -

Существуют

теории

поляризации полярных

жидкостей Онзагера,

Кирквуда,

Фрелихв.

Например,

по

теории

Онзагера получается следующая

ф о р ­

мула, которую

мы

запишем,

не

прибегая

к рационализации

э т о г о

уравнения

е+г ' пЧ

" (ге+пг}(£+г)зкт

Для

воды

по

этой формуле

£

=

З І , ' т . е .

значение тоже

д а л е к о е от д е й с т в и т е л ь н о с т и .

Обратимся к рассмотрению экспериментальных данных,

к а с а ­

ющихся диэлектрической проницаемости

полярных

жидких

д и э л е к т ­

р и к о в .

Одним из первых систематических измерений диэлектричео. >

кой

проницаемости

полярных

жидкостей

были

измерения,

п р о в е ­

денные в 1889 г . русским ученым С.Терешиным. Результаты

и з ­

мерений С.Терешина мало отличаются от

современных. В

т а б л и ­

це

6

прив'адены

значения

диэлектрической

проницаемости

в

сопоставлении

с

другим» константами полярных

жидкостей;

Таблица 6

Диэлектрическая

проницаемость некоторых полярных

жидкостей в соответствии с другими константами

жидкость

:

£

:

'

пг

;

:

ßo&

:

п0Агл

I

I

I

,

Вода

81

1,77

"

1,87

3 . 3 7 . I 0 2 2

Нитробензол

36,4

2,4

3,87

6 . 8 2 . I 0 2 1

Этиловый спирт

25,8

І , 8 §

1,7

1 , 0 4 . Т О 2 2

Ацетон

21,4

1,84

2,85

8 . 2 5 . І 0 2 1

1? Из

тнбллцы -видно^'-чгр .диэлектрическая* '.проницаемость

ц о ^ р ш и . х и д к о о т е й . значительно л р е ш ш а е і

квадрат

п о к а з а т е л я

преломленияісвета

L £ > > ;

Л

. .

Это- указывает .на ,то,"-что

д о -

fr минирующее' значение

имеет і

ориентационная

поляризация?днполь -

: ныі.молекул по сравнению с

поляризацией

электронного смещения.

К-Из таблицы такуже следует,'; что

величина диэлектрической

и, проницаемости

зависит не

только

от

собственного

дипольного

•

момента

молекул, но и - от

числа

их в 'единице объема: жидкости .

Так, у молекул нитробензола-дипольный момент.больше,ччем у

-

молекул

воды,' диэл е к т р и ч е с к а я

же

п р о н и ц а е м о с т ь - м е н ь ш е / т а к

к а к меньше число молекул в

единице . объема .

То же

самое

можно с к а з а т ь % с р а в н и в а я

этиловый спирт

и

ацетон.

§

35.

Зависимость

д и э л е к т р и ч е с к о й ' н р о н и ц а е -

мооти

полярной

жидкости от

температуры

л Зависимость. €

- f(T]

для

полярной

жидкости

о б у с л а в л и ­

вается, во-первых,

тепловым

расширением жидкости,. ведущим к

уменьшению числа

молекул

в

единице

объема,

и , во - вторых,

влиянием

температуры, на

ориентационнуто поляризацию.

Ориентировочная ірденка

температурного

шаффнциенте

с и л ь ­

но пелярных:'ЖИдкоот.ей іаоает

быть

произведена j а помощью

д и ф -

5 ференцировэлшЕ' уцроденвой формулы й и р к в у . а ,

записанной

ниже

Здесь

9

-

постоянная

величина

для данной .юляраойзшдкооті;.

Дифференцируя

по

температуре

Т

,

получим

Если

пренебречь

тепловым расширением

и с ч и т а т ь ,

что

ѴІ9

то

.

те

Таким образом, порядок величина температурного коэффици­

ента

диэлектрической проницаемости

можно

о ц е н і г п у з н а я

среднюю

температуру

Г

,

при

которой

находится

жидкость;

При экспериментальном определении температурного

к о э ф ­

фициента диэлектрической проницаемости надо учитывать,

что

он сильно зависит от температуры.

Поэтому

опытное

з н а ч е н и е м

ТК6

можно

определить

только

для

малого

интервала темпера -

-

т у р . На

рис-31

приведены опытные

данные

для

некоторых

полярных жидкостей .

Определение

ТКЕ

из

экспериментальных

данных производится следующим образом: вычисляется

т а н г е н с

утла

наклона

к а с а т е л ь н о й кривой

6

= f (Т}

/ к

о с и

абсцисс ж

б е р е т с я

его

отношение к

диэлектрической проницаемости'

£

при

соответствующей

температуре .

Измерения показывают, ч т о

THE

полярных

жидкостей:: при

низких

температурах

положительный,

п е р е х о д и т - ч е р е з

максимум

*

и при высоких температурах становится: большим

отрицательным. =

Такой ход зависимости

S -f(T)

объясняется,

тем,

ч т о ѵ н р и у .

низких т е м п е р а т у р а х

основную роль

играет* электронная поляри—

•^ангог,

т . к .

с в я з ь между

молекулами

велика

и

велика

макроско—

M, «ирт

30

Ь\

ч

/

20

—r~

/

9muпоаь

IS

10

/

рин

Цвир

X

I 5

*

5

t

t

1

У —

-100 -75 SO -25

0

25

50

75 °C

Р И С

31

пичеокая

в я з к о с т ь ,

молекулы

не

могут

вращаться .

В некоторой

области температур

поляризация

увеличивается

з а

счет

повсирта

полярных молекул, но затем снова

уменьшается, т . к , тепловое

хаотическое движение

начинает п р е п я т с т в о в а т ь

их

ориентации .

На р и с . 3 2

изображен

ход кривой

зависимости

£

в

широком

интервале

температур

о ••*

Г

-

104

-

§

36.

Определение

дипольншс моментов полярных

молекул

жидкости

(метод

разбавленных

растворов)

Собственный

электрический момент Mo

полярной

жидкос­

ти

может быть

определен

экспериментально.

Если полярную жидкость растворить в

неполярной,

то

в з а ­

имодействие между полярными молекулами будет тем меньше,

чем

на

большем расстоянии они находятся друг

от друга, т . е .

чем

г д е

£

--'диэлектрическая.проницаемость раствора; -

Лог— концентрация молекул неполярного растворителя;

Лог-- концентрация полярных молекул;

jlo

— собственный дипольный момент полярной

молекулы.

В химии при составлении растворов пользуются

молярными

f

=

- п ' і

• -

'г

ПВі +п„г

Молекулярный

ве с

р а с т в о р а

M = Mffi

*Мгіг'

Уравнение Кяауэнуоа-Мосотти

для молярной поляризуемости

запишется для р а с т в о р а

таким

образом:

Левая

ч а с т ь уравнения

п р е д с т а в л я е т

собой молярную

п о л я р и з у ­

емость

р а с т в о р а ,

ріг

, правая часть - сумму, г д е Мйае<

-fpj

д а е т

долю молярной

поляризуемости

р а с т в о р и т е л я ,

а

i

ай-

(Оег

+ёл j-f О -

долю

молярной

поляризуемости

р а с г в о р е н -

ного

дипольного

диэлектрика

Pit =f<P<

ЧгРг'

Молярная

поляризуемость

растворенного

вещества

р.

= Рп

'frPf .

h

Для

определения

ß a

рассчитывают молодкуш

п о л я р и з у е ­

мость

раствора

рг

прю различных

температурах . Для

этого

экспериментально

находят

£

и

ß s

раствора

при различных

температурах .

Зная 'электронную поляризуемость молекул

неполяр

ного растворителя и его молярную концентрацию, рассчитывают

f, Pf

,

по этим данным^рассчитывают

рг

. Строят

зависимость

Рг

в

функции

от

^ .

Эта зависимость

показана

на

р и с . 3 3 .

В-_ак.МІ;

t

g ß

=

М

.

^

°

3£с

Зк

VP<

J<fo

Зп

. •-.

М

а ~ *

Nft

Таким

образом,

известны способы

определения

с о б с т в е н н о ­

г о

электрического

момента

полярной

молекулы

в

г а з а х

и в жид ­

к о с т я х . Можно полярную

жидкость

испарить

и

сравнить

данные

для

До

,

полученные

для г а з о в о й

фазы и жидкости.

Экспери­

ментальные

данные,

полученные двумя

способами,

оказываются

очень близкими, а иногда и полностью совпадают. Например,

для

молекул

воды в

г а з о в о й

фазе

Mo =

І,84/?<?,

для

жидкости

1,90Да;

для ацетона в

газовой фазе

- 2,85 и 2,75 в

жидкости .

На

основании

опытных данных

можно с д е л а т ь

вывод, что

собственный

электрический

момент

я в л я е т с я микроскопической

характеристикой полярной" молекулы. Он не зависит

от

а г р е г а т - •

- 107

-

ного

состояния

в е щ е с т в а . .

§ 3?.

Поляризация твердях

диэлектриков

0

Существуют

различные группы

твердых д и э л е к т р и к о в . По х и ­

мической природе твердые, диэлектрики

могут быть веществами

кристаллическими. Существует много технически

важных

д и э л е к т ­

риков,

которые

представляют

собой

сложные многофазные

системы.

В твердых диэлектриках могут происходить

в с е р а с с м о т р е н ­

ные виды поляризации — упругие и релаксационные . Кроме

т о г о ,

в твердых неоднородных диалектриках происходит

дополнительная

поляризация,

которая

называется

миграционной

или

междуелей­

н о й .

Для удобства изучения твердые диэлектрики можно

р а з д е л и т ь

на следующие

группы.

Ï .

Нейтральные

диэлектрики

- -

неорганические

и о р г а н и ­

ч е с к и е . Эта

группа диэлектриков

объединяется

по механизму

поляризации .

2 . Ионные кристаллические диэлектрики о

невысоким

з н а ­

чением диэлектрической проницаемости. Эта группа

веществ

объединяется

и по механизму

поляризации, и п о

химической

п р и ­

р о д е .

3 .

Ионные

кристаллические

диэлектрики с

высоким

з н а ч е ­

нием диэлектрической

проницаемости .

'

4 .

Керамика с линейной поляризацией .

5 .

Стекла,

оиталлы.

-

6 .

Дипольные кристаллические

д и э л е к т р и к и .