Давыдков_физика_Ч. 2. Давыдков_физика_Ч. Курс лекций по общей физике предназначен для студентов института дистанционного образования, изучающих вторую часть курса физики
 Скачать 2.62 Mb.
|
1.13. Электрический диполь. Диполь в однородном электрическом полеЭ  лектрический диполь – это система из двух одинаковых по величине и противо-положных по знаку зарядов, находящихся на расстоянии l друг от друга.Основной характеристикой диполя является дипольный момент, который по определению равен р = ql, где р – дипольный момент, q – величина зарядов диполя, l – плечо диполя (вектор, соединяющий заряды и направленный от отрицательного заряда к положительному). Размерность диполь-ного электрического момента [p] = Кл.м. Как следует из определения, дипольный момент есть векторная величина, прямо пропорциональная величине зарядов диполя и расстоянию между ними. Дипольный момент направлен так же, как и плечо диполя – от отрицательного заряда к положительному. Е  сли поместить диполь в однородное электрическое поле напряжённостью Е, то на заряды диполя действуют одинаковые по величине и противоположные по направлению силы |F+| = |F-| = qE.Равнодействующая этих сил равна нулю, поэтому диполь не будет двигаться поступательно. Но эти силы создают момент пары сил, который стремится повернуть диполь так, чтобы дипольный момент был параллелен силовым линиям. Величина момента пары сил, действующего на диполь, равна  ,где р –дипольный момент. 1.14. Диэлектрики. Типы диэлектриковДиэлектриками принято называть вещества, не проводящие электрический ток. В молекулах диэлектрика, как и в молекулах других веществ, суммарный положительный заряд ядер всех атомов, образующих молекулу, равен суммарному отрицательному заряду всех электронов. В общем случае заряд всех ядер молекулы можно заменить одним точечным положительным зарядом. Величина этого заряда равна сумме зарядов ядер всех атомов молекулы, а положение совпадает с положением центра  “тяжести” положительных зарядов молекулы.В свою очередь, суммарный отрицательный заряд электронов молекулы можно заменить одним точечным отрицательным зарядом, расположенном в центре «тяжести» зарядов электронов. Если центры «тяжести» положительным и отрицательных зарядов находятся на расстоянии l друг от друга, то молекулу можно считать диполем с плечом l. В некоторых диэлектриках молекулы симметричны (напри-мер, Н2, О2, N2). У таких молекул центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают. В диэлектриках второго типа молекулы состоят из противо-положных по знаку ионов (например, NaCl, KCl, KBr). В отсутствие внешнего электрического поля центры “тяжести” положительных и отрицательных зарядов ионных молекул в кристалле диэлектрика совпадают. В отсутствие внешнего электрического поля молекулы диэлектриков первого и второго типа не обладают собственным дипольным моментом, они неполярны. Поэтому диэлектрики, состоящие из таких молекул, называют неполярными. В диэлектриках, состоящих из несимметричных молекул (например, NH3, CO, H2O), центры “тяжести” отрицательных и положительных зарядов не совпадают. Следовательно, такие молекулы обладают собственным дипольным моментом. Поэтому их называют полярными. Несмотря на наличие дипольных моментов у всех молекул такого диэлектрика, диэлектрик в целом в отсутствие внешнего электрического поля дипольным моментом не обладает, так как вследствие теплового движения полярные молекулы ориен-тированы хаотично и их суммарный дипольный момент равен нулю. 1.15. Поляризация диэлектриковПри внесении диэлектрика любого типа в электрическое поле происходит его поляризация, т. е. в нём возникает отличный от нуля дипольный электрический момент. Механизм поляризации в каждой группе диэлектриков имеет особенности. Рассмотрим его подробнее. Начнём с рассмотрения неполярных диэлектриков. П  ри внесении такого вещества во внешнее электрическое поле под действием кулоновских сил центры “тяжести” положи-тельных и отрицательных зарядов молекулы смеща-ются в противоположных направениях. В  результате центры “тяжести” положительного и отрицательного зарядов оказываются на некотором расстоянии l друг от друга (см. рисунок). Молекула неполярного диэлектрика становится диполем с плечом l, направленным параллельно вектору на-пряжённости электрического поля.Подобным образом ве-дут себя и диэлектрики второго типа: под действи-ем кулоновских сил поло-жительные и отрицатель-ные ионы смещаются, что приводит к возникновению дипольных моментов. В  полярных диэлектри-ках внешнее поле вызывает ориентацию молекул – молекулы ориентируются по полю. Сумма дипольных моментов молекул ста-нет отличной от нуля. Естественно, что хаотическое (тепловое) дви-жение молекул противодействует упорядочиванию ориентации мо-лекул. Поэтому при данной темпе-ратуре степень ориентации будет тем выше, чем сильнее электрическое поле.Из сказанного следует, что степень поляризации любого диэ-лектрика может быть различной. Следовательно, необходима количественная мера степени поляризации диэлектрика. В ка-честве такой меры используется поляризованность диэлектрика – дипольный момент единицы объёма диэлектрика. Это вели-чина, равная векторной сумме дипольных моментов молекул в единице объёма вещества:  .Размерность вектора поляризованности  .Поляризованность в диэлектриках всех типов зависит от напряжённости электрического поля. Чем больше напряжённость электрического поля, тем выше поляризованность диэлектрика. В аналитической форме эта связь имеет вид Р = оЕ, где (каппа) – диэлектрическая восприимчивость. Диэлект-рическая восприимчивость является безразмерной величиной. Учитывая, что дипольный момент поляризованной неполяр-ной молекулы всегда направлен по полю, мы вправе утверждать, что изменение температуры не влияет на степень поляризации молекулы. Следовательно, и поляризованность, и диэлектри-ческая восприимчивость неполярного диэлектрика не зависят от температуры. Полярные диэлектрики ведут себя иначе. В них упорядо-чивающему действию внешнего электрического поля противо-действует хаотическое тепловое движение молекул, стремящееся разориентировать дипольные моменты молекул. Поэтому при каждой температуре будет устанавливаться некоторая равно-весная упорядоченность дипольных моментов. Следовательно, поляризованность и диэлектрическая восприимчивость полярных диэлектриков зависят от температуры. Чем выше температура, тем ниже поляризованность Р и диэлектрическая воспри-имчивость . Следует отметить ещё одну важную особенность ди-электрической восприимчивости . В изотропных средах, свойства которых не зависят от направ-ления, является скаляром. Поэтому в изотропных диэлектриках направление вектора Р всегда параллельно направлению Е. В анизотропных диэлектриках диэлектрическая восприим-чивость, измеренная для направления, параллельного оси х, не равна значению , измеренному для параллельного оси у на-правления. Поэтому в анизотропных диэлектриках направление вектора Р в общем случае не параллельно направлению Е. |