72. Полярні і неполярні молекули. Поляризація речовини.

Молекули тіл – це електродинамічні системи, які складаються з позитивних ядер і негативних орбітальних електронів. За характером просторового розміщення заряджених частинок у молекулах їх поділяють на полярні та неполярні. За відсутності зовнішнього електричного поля в атомах зберігають у часі сферичну симетрію просторового розміщення відносно ядер, тобто атоми не мають дипольного моменту. Відповідно і молекули можуть мати таке розміщення позитивних і негативних зарядів, отже дипольний момент молекул дорівнює 0. Такі атоми і молекули є неполярними (атоми інертних газів, двохатомні молекули Н₂, О₂, N₂, багатоатомні СО₂, СН₄, CCl₄ тощо). Є речовини, які складаються з атомів чи молекул, центри позитивних і негативних зарядів яких не збігаються, просторово зсунуті на деяку відстань. Якщо зовнішнього електричного поля немає, то молекули цих речовин являють собою елементарні диполі. Такі атоми чи молекули є полярними (СО, SO₂,N₂O,H₂S,NH₃, H₂O, кислоти, ефіри тощо).

Поляризація – процес зміщення зв’язаних заряджених частинок речовини під впливом зовнішнього електричного поля. Поляризований у зовнішньому електричному полі діелектрик сам стає джерелом внутрішнього електричного поля, яке відрізняється від зовнішнього. Розглянемо механізм поляризації залежно від будови діелектрика: орієнтуючу, електронну і іонну.

1. Орієнтуюча характерна для діелектриків з полярними молекулами. Якщо внести діелектрик в електричне поле, то на будь-кий його диполь буде діяти пара сил: F₁=qE і F₂= -qE. Момент цієї пари сил дорівнюватиме: М=рЕsinα. Під дією моменту сил полярні моменти намагаються повернутися так, щоб вектори їх дипольних моментів р встановились у напрямі напруженості зовнішнього електричного поля Е. але під впливом теплового хаотичного руху орієнтація полярних молекул порушується. Внаслідок спільної дії обох факторів (сил поля і хаотичного теплового руху) в діелектрику переважає орієнтація дипольних моментів у напрямі поля. Чим сильніше зовнішнє електричне поле і нижча температура діелектрика, тим більше зорієнтуються дипольні моменти.

2. Електронна поляризація. Якщо в електричне поле внести діелектрик з неполярними молекулами, то електронні орбіти деформуються і молекули стають полярними. Це зміщення пропорційне напруженості зовнішнього електричного поля. Індукований дипольний момент: р=ξ₀βЕ, де β- поляризованість молекули.

3. Іонна поляризація характерна для іонних кристалів. Якщо такий кристал внести в електричне поле, то під дією сил поля позитивні іони зміщуються в напрямі вектора напруженості. А всі негативні іони – в протилежному напрямі. Тому на протилежних напрямах переважатимуть іони одного знака і кристал буде поляризований. Проте всередині кристала, як і раніше буде однакова кількість іонів обох знаків.

73. Вплив речовини діелектрика на електричне поле.

Діелектриками або ізоляторами називають такі тіла, через які електричні заряди не можуть переходити від зарядженого тіла до незарядженого. Ця властивість діелектриків зумовлена тим, що у них за певних умов немає вільних носіїв заряду. Якщо умови змінюються, наприклад, під час нагрівання, в діелектрику можуть виникнути вільні носії заряду і він почне проводити електрику. До діелектриків належать усі гази за нормальних умов, рідини (гас, спирти, ацетон, дистильована вода та ін.), тверді тіла (скло, пластмаси, сухе дерево, папір, гума тощо).

У діелектриках електричні заряди не можуть (так як і вільні заряди провідника) переміщуватися під дією електричного поля по всьому об'єму тіла. Усередині діелектрика електричне поле може існувати. Притягання незарядженого тіла (діелектрика) до зарядженого тіла пояснюється тим, що в електричному полі відбувається поляризація діелектрика, тобто зміщення в протилежні боки різнойменних зв'язаних зарядів, що входять до складу атомів і молекул таких речовини.

Діелектрики поділяють на два види:

1) полярні, які складаються із молекул, у яких центри розподілу позитивних і негативних зарядів не збігаються (вода, спирти та ін.);

2) неполярні, що складаються з атомів або молекул, у яких центри розподілу позитивних і негативних зарядів збігаються (бензол, інертні гази, поліетилен та ін.).

Якщо полярний діелектрик опустити в електричне поле, то його молекули починають повертатися своїми позитивно зарядженими сторонами до негативно заряджених пластин зовнішнього поля, а негативно зарядженими - до позитивно заряджених пластин. У результаті на поверхні діелектрика виникає досить тонкий шар зарядів протилежних знаків, які й створюють зустрічне поле. Якщо ж в електричне поле помістити неполярний діелектрик, то його молекула деформується, в результаті чого він стає схожим на полярний.

Для характеристики електричних властивостей діелектриків уведено особливу величину, яку називають діелектричною проникністю (безрозмірна величина). Це фізична стала, яка показує у скільки разів модуль напруженості електричного поля ^вн всередині діелектрика менший від модуля напруженості ⁰ у вакуумі:

.

Значення діелектричної проникності можуть суттєво змінюватися навіть за незначної зміни хімічного складу речовини. Завдяки цьому створені численні речовини з унікальними електричними властивостями для застосування в електронній і електротехнічній галузі виробництва.

Вплив речовини на електричне поле призводить до зміни сили, яка діє на електричний заряд. З означення

З останнього випливає, що сила, яка діє на електричний заряд у діелектрику, менша, ніж у вакуумі.

Повітря (за нормальних умов) - 1,000 594; Скло - 8 – 11; Вода – 81; Парафін - 2; Віск бджолиний - 3; Сегнетова сіль - 10 000.