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

V. Какой физический смысл

нмсчт

д и э л е к т р и ч е с к а я

проницаемость .

0.

Показать

на примере конденсатора, отключенного

от источника и не

отк/поченпого

от

н е г о ,

что

д и э л е к т р и ч е ­

с к а я

проницаемость х а р а к т е р и з у е т

способность

диэлектрика

поляризоваться в

электрическом

п о л е .

9. Что такое электрическое смещение. Запишите формулу,

определяющую эту

величину .

Ю-

Запишите

формулу, связывающую

друг

с другом

д и э л е к т ­

рическую

проницаемость и п о л я р и з о в а н н о с т ь .

1 1 .

Кале связаны друг с другом поляризованность,

напрляен -

ность

и

смещение.

12. ІСакие диэлектрики называют линеііішми или пассивны ­

ми?

13.

Какие диэлектрики называет

активными?

-

19

-

Р А З Д Е Л

2

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ДИЭЛЕКТРИКОВ

§ 5. .Химическая

с в я з ь

Для

того

чтобы

понять,почему

основным

электрическим

свойством

диэлектриков я в л я е т с я

способность

поляризоваться

в электрическом п о п е , а основным свойством проводников

—

электропроводность,

нам

необходимо

р а с с м о т р е т ь вопрос

о

х и ­

мической

с в я з и ,

которой

связаны

атомы в

молекулах

и

атомы

или молекулы

в

т е л е .

Химические

свойства

атомов

определяются

строением

внеш­

н е г о ,

не

полностью заполненного

слоя электронной

оболочки .

ѵ Электроны, находящиеся в незаполненном

с л о е ,

называются

в а ­

лентными.

Электроны

внутренних,

полностью

заполненных

с л о е в ,

прочно связаны с атомными ядрами и

не участвуют в

образовании

химической с в я з и . В

зависимости

от

строения

внешних

с л о е в ,

вступивших в соединение атомов, различают четыре основных

типа

химической

с в я з и .

I . Коватенгная

химическая

с в я з ь

Она возникает при взаимодействии металлоидных атомов и

объясняется тем, что при сближении

атомов

на

определенные

расстояния происходит перераспределение

электронной

п л о т н о с ­

т и . В пространстве между

ядрами

плотность

электронного

о б л а ­

ка оказывается больше,чем вне этого

п р о с т р а н с т в а .

Это

п р и в о ­

дит к тому, что энергия системы

двух атомов

уменьшается,

а

значит, а т о ш

притягиваются

друг

к д р у г у .

Окисывая

ковалентную

с в я з ь

более

просто, ми говорим,

что

два

валг-нтш^

электрона

-

20 -

(по

одному от

каждого атома)

с т а н о в я т с я

общими. Атомы при

этом

остаются

электрически нейтральными. Часто ковалснтную

с в я з ь называют

парноэлектрониой .

На р и с . 8

изображена тру'бая модель

ковалентной с в я з и

для

атома водорода и хлора Г

• a-

* -ci:

— : Ç ( : C f :

-*ct-ct

et

+ ce

—-

ce2 - ce : et •

Pue. 8

2. Лонная химическая

с в я з ь .

Такая с в я з ь

возникает

между

металлическими и м е т а л л о и д ­

ными

атомами. Валентный электрон атома металла переходит к

атому металлоида . Образуется два иона, между которыми

д е й с т ­

вуют

силы э л е к т р о с т а т и ч е с к о г о притяжения.

Со в е л е н и я

с ионной

связью называются

гетерополярными.

Ковалентная

и ионная связи являются

предельными

случаями

возможна

смешанная ковалентно - ионная с в я з ь .

Валентные э л е к т ­

роны

при такой

с в я з и несколько

смещаются

от

одного атома к

другому,

но не

в такой степени, ка к в ионных

соединениях . К а ­

ков

вклад

т о г о

или иного характера с в я з и

в этом с л у ч а е , з а в и ­

сит

от электроотрицателъности

атомов .

-

21

-

3_. Доыор^о^-а^цептррная ^связь^ которая возшікает между

элементами различных

групп

периодической

системы,

например,

между

атомами

т р е т ь е й

и пятой

группы .

Эта

с в я з ь осуществля ­

е т с я путем передачи

одного

электрона

от

атома

элемента

пятой

группы

атому элемента

т р е т ь е й

группы .

Образуются

соединения,

которые обозначают

п

а- .

Соединения

с

ковалентной

или

д о -

норно - акцепторной

связью могут быть

диэлектриками1 или

п о л у - •

проводниками.

Мы будем р а с с м а т р и в а т ь

только

д и э л е к т р и к и .

Тетвертым

типом

связіг я в л я е т с я металлическая

с в я з ь ,

к о ­

т о р а я

возникает

между

атомам* в Металлах.

От

каждого

металли ­

ч е с к о г о атома

по

одному электрону п о с т у п а е т

в

коллективизиро ­

ванное

п о л ь з о в а н и е .

Электроны

свободно

перемещаются по

кристал ­

л у

и

связывают

положительно

заряженные

атомные основы.

Основ­

ным

электрическим свойством

металлов

я в л я е т с я электропровод ­

Для т о г о

чтобы

понять

особенности различных

механизмов

поляризации д и э л е к т р и к о в ,

необходимо

остановиться

на э л е к т р и ­

ческих с в о й с т в а х молекул .

Если молекулы с ковалентной связью состоят из двух

о д и ­

наковых атомов

(Н2,

Ob,,

Og

и т . д . ) ,

то нцентры

тяжести" о т ­

рицательных и

положительных

з а р я д о в совпадают. Молекулы

т а к о ­

называют

неполярными.

Если молекула с ковалентной связью образуется из н е о д и ­

наковых

атомов (например, СО), т о , б л а г о д а р я различной электро--

- 22

-

о т р и ц а т е л ь н о с т и ' ( с р о д с т в а

к

электрону

а т о м о в ) ,

отрицательный

заряд

оказывается

смещенным

относительно положительного .

Такая

молекула

называется дипольной

и х а р а к т е р и з у е т с я

дгаіольным.

или

электрическим'

моментом.

Электрический

момент

U

я в л я е т с я

очень важным параметром молекулы.

Если

молекула

построена из .трех и более атомов,

то

о т с у т ­

ствие

или

наличие

электрического момента будет

з а в и с е т ь

от

взаимного

расположения атомов

друг

относительно

д р у г а .

В

симметрично

построенных

молекулах ( С 0 2 ,

СН4 ,

С С І 4 ,

CgHg

и д р . )

пцентры тяжести"

отрицательных

и положительных

з а ­

рядов

совпадают;

молекула

будет неполярной .

Электрического

п о ­

ля около

себя неполярная молекула не

с о з д а е т .

Несимметрично построенные молекулы (например, СНСІд,

CgHgOH,

HgO

и

д р . )

имеют

электрический

момент,

создают«около

себя

электрическое

п о л е ,

т . е .

являются

полярными.

Дебай

первый

понял роль

наличия

электрического

момента

у молекул в проблемах молекулярной физики . Его именем была

названа

единица электрического момента .

Электрический

момент

полярной

молекулы

ранен

п р о и з в е д е ­

нию заряда

g

на р а с с т о я н и е

между

п центрами 'тяжести"

п о л о ­

жительного

и отрицательного

заряда

Электрический момент направлен от отрицательного заряда

к

п о ­

ложительному.

В

свое

время

была выбрана

произвольная

единица

э л е к т р и ­

ческого момента. Так как величина смещенного в

молекуле

з а ­

ряда

сравнима

с

зарядом электрона

(

g

= А,8Л0~^®

СГСЕ

),

о

а разделены

заряда

расстоянием

порядка

10

см,

то

за

единицу

-

23

-

электрического

момента

был принят момент

JJ

-

I .

1 0 ~ - ^ е д . C f C f .

Эта

единица была

н а з в а н а

Дебаеы

( Д о ) . Щб =

І.ІОГ^СГСЕ

.

Так

ка к I

СГСЕ е д . з а р . = З г

З З . І О " І 0 к ,

то

ІДб = ІЛ(ГІ8СГСЕ

=

= З . З З . І С Г ^ К . м .

Дипольные

моменты

молекул

в настоящее

время

не

могут

быть

точно рассчитаны и

определяются экспериментально . Ионные

молекулы

тоже являются полярными.

Электричеоний момент

п р е д с т а в л я е т

собой

очень

важную

характеристику м о л е к у л . По величине электрического

момента

судят о строении самой молекулы, о том, какую долю в смешан­

ной

с в я з и

имеет

ионная

с в я з ь , о

том,насколько

сильно

молекула

будет

п о л я р и з о в а т ь с я в

электрическом п о л е , и

т . д .

В таблице

2

приведены

значения

дипольных моментов

н е к о ­

торых

молекул

и их строение .

Таблица 2

M

:

Химич.

:

Строение

молекулы

Mo

j j / n :

Вещество

формула

!

I

: .

2

з

:

4

5

I .

Аргон

Аг

—

0

2 .

Водород

Ht

н-н

0

3 .

Углекислый

г а з

СОг

о=с=о

0

СНи

If

4 .

Метан

Н-С-Н

0

5.

Полиэтилен

L-ç-с-In

0

6 .

Бензол

Ci Hs

0

7.

Вода

НгО

1,87

8.

Сернистый

г а з

SOt

1,60

Э .

Окись

уі-лерода

СО

C*Q

0,11

-

24

-

I

:

2

3

4

5

10.

Этиловый

спирт

СгИ50Н

н-сV -сif -он

1,72 »

fi

А

1 1 .

Хлористый

калий

6,3

о , Ш

По

строению

молекул

диэлектрики

д е л я т с я

на три

группы:

1.

Неполяргае д и э л е к т р и к и ,

т . е .

т а к и е ,

собственный э л е к т ­

рический момент

молекул

которых

р а в е н нулю.

2 . Полярные диэлектрики, т . е . такие;собственный

а ц е н т р и ­

ческий

момент

молекул

которых

отличен

от

н у л я .

3 . Ионные диэлектрики, т . е .

т а к и е ,

которые построены

из

ионных

молекул .

Эта классификация удобна в том отношении, что

она

о б ъ е ­

диняет

диэлектрики с

одинаковым

типом

поляризации,

а

поэтому

с близкими

электрическими

свойствами .

§ 7 .

Классификация

диэлектриков

по

а г р е г а т н о м у

состоянию

Диэлектриками могут

быть

тела в с е х

т р е х

агрегаТнък с о с т о ­

я н и й .

Все без

исключения

газы являются

диэлектриками .

Молекулы

г а з а

могут

быть

цростыми

(инертные г а з ы )

и сложными,

т . е .

с о ­

с т о я т ь

из

двух,

т р е х

и

большего

числа

а т о м о в . При

э т о м , в

з а ­

висимости

от

взаимного

расположения атомов, молекулы

г а з о в

м о ­

гут

быть неполярными или полярными.

ь

Нецолярными

газами

являются

все

инертные г а з ы ,

водород,

а з о т , углекислый

г а з ,

метан и

д р . К-полярным

г а з а м о т н о с я т с я

окись у г л е р о д а ,

в с е г а з ы

о р г а н и ч е с к о г о

происхождения

о

н е с и м -

-

25

-

метрично построенными молекулами,

пары

многих

полярных жид­

к о с т е й ,

пары воды

и

т . д .

'

—

Взаимодействие

между

молекулами

г а з а ,

к а к мы

знаем

из

молекулярно - кинетической

теории,

практически

о т с у т с т в у е т

и

при обычных

условивгх

они

двЕжутсй

независимо

д р у г

от

д р у г а .

ііидкие

диэлектрики могут

быть

Нейолярными и

нолярными.

К неполярным

жидким

днэяеА&ййм»

о т н о с я т с я

б е н з о л ,

толуол,

ксилол,

четы'реххлорйсгни

^ Х « # с д ,

сероуглерод

и

да.,

к п о ­

лярным

-

вода., нитрооейзолѵ -этиловый й

проннловнй

спирты,

хлороформ-, ацетон-, соляная *»6лот-а

и

д р . Взаимодействие

м о л е ­

кул ііедкост ей -я х а р а к т е р

их *ешго*о:гс> хао-т-ичеекоГо движения

сложнее, чей

у г а з о в .

Этот

вопрос

мы подробнее

рассмотрим

в

соответствующих параграфах-. Твердые

диэлектрики можно

р а з д е ­

л и т ь на

два

в и д а :

на

кристаллические

й

аморфные. В

з а в и с и ­

мости

от

химической

с в я з и

в

кристаллах

их, в

свою

очередь, д е ­

л я т на

следующие

типы:

1)

валентіще

(ковалѳ нтные

или

атомные

кристаллы).;

В

атомных 'кристаллах в

у з л а х кристаллической

решетки н а ­

х о д я т с я

атомы.

Связь гігекду

ними

осуществляется парой э л е к т р о ­

нов т а к ж е , к а к

в молекулах

при

ковалентной с в я з и .

Диэлектри ­

ч е с к и е

кристаллы э т о г о юша очень немногочисленны. К ним

о т ­

н о с я т с я

только алмаз

и с е р а .

В

у з л а х ионных

кристаллов находятся ионы.. Этот тип

т в е р ­

дых диэлектриков

представлен кристаллами различных модифика­

ции . Отличие

электрических свойств этих

диэлектриков д р у г от

друга п о м ы

быть

очень большим и зависит

оно от природы н о -