Теория работы. Цель работы: изучить основные характеристики и классификацию диэлектриков; виды и основные характеристики диэлектрической поляризации; научиться определять

Лабораторная работа № 10. Определение коэффициента диэлектрической поляризации питательных веществ

Цель работы: изучить основные характеристики и классификацию диэлектриков; виды и основные характеристики диэлектрической поляризации; научиться определять коэффициент диэлектрической поляризации и относительную диэлектрическую проницаемость питательных веществ; научиться трактовать полученные экспериментальные результаты.

Приборы и принадлежности: источник постоянного тока, высокоомный вольтметр, ключ, секундомер, исследуемое вещество.

Диэлектриками называют тела, не проводящие электрического тока вследствие отсутствия свободных носителей заряда. При изменении внешних условий (нагревание, облучение и т.д.) диэлектрик может проводить электрический ток. При помещении диэлектрика в электрическое поле происходит смещение атомов или молекул, входящих в состав диэлектрика от положения равновесия. Изменение состояния диэлектрика при помещении его в электрическое поле объясняется его молекулярным строением. По своим электрическим свойствам молекулы диэлектрика подобны электрическим диполям (Рис.13.1).

Диполь - система из двух одинаковых по величине, но противоположных по знаку зарядов, расположенных на некотором расстоянии L, характеризующаяся вектором дипольного момента: , (13.1)

где q - суммарная величина положительных (или равных им отрицательных) зарядов молекулы, L - расстояние между центрами тяжести положительных и отрицательных зарядов. За направление вектора дипольного момента принимается направление от его отрицательного к положительному заряду.

Если диполь поместить во внешнее электрическое поле напряженностью , то на диполь будет действовать вращающий момент, в результате чего диполь будет поворачиваться – ориентироваться в электрическом поле так, чтобы стать параллельно направлению поля (Рис.13.2). Почему? Электрическое поле всегда направлено от положительного к отрицательному заряду. Отрицательный полюс диполя стремится к внешнему плюсу, а положительный полюс диполя – к внешнему минусу (под действием кулоновской силы притяжения разноименных электрических зарядов). Но заряды в диполе связаны намного более прочными силами взаимодействия (например, ковалентной химической связью), поэтому внешнее электрическое поле не может разорвать диполь. Воздействие внешнего поля на диполь сводится лишь к его повороту во внешнем поле.

Если в отсутствие внешнего электрического поля расстояние между зарядами в молекуле равно нулю L = 0, то диэлектрики называются неполярными (Рис13.3). В молекулах неполярных диэлектриков (H ₂, N ₂, углеводороды и др.) в отсутствие внешнего поля дипольный момент равен нулю. При помещении такого диэлектрика в электрическое поле напряженностью происходит смещение центров тяжести зарядов и молекула или атом приобретают электрический момент (Рис.13.4).

Если в отсутствие внешнего электрического поля расстояние между центрами зарядов в молекуле не равно нулю L ¹ 0, то диэлектрики называют полярными. Молекулы полярных диэлектриков (H ₂ O, NH ₃, HCl и др.) имеют постоянный дипольный момент (Рис.13.1). На молекулу с дипольным моментом (13.1) в электрическом поле действует момент силы , стремящийся повернуть диполь в направлении вектора (Рис.13.2).

Третий класс - кристаллические диэлектрики (NaCl, CsCl и др.), решетка которых состоит из положительных и отрицательных ионов. Такой диэлектрик схематически можно рассматривать как совокупность двух ²подрешеток², одна из которых заряжена положительно, другая - отрицательно. При отсутствии внешнего поля подрешетки расположены симметрично и суммарный электрический момент равен нулю. Помещая диэлектрик в поле, происходит смещение подрешетки и диэлектрик приобретает электрический момент.

Все эти процессы – диэлектрическая поляризация.

Поляризацией диэлектрика называется возникновение в нем при внесении во внешнее электрическое поле макроскопического собственного (внутреннего) электрического поля, обусловленного смещением заряженных частиц, входящих в состав молекул диэлектрика.

Диэлектрик, в котором возникло такое поле, называют поляризованным. Различают три вида поляризации:

1. ориентационную поляризацию с полярными молекулами, которая возрастает с увеличением напряженности электрического поля и убывает при повышении температуры (Рис.13.2);

2. электронную поляризацию диэлектрика с неполярными молекулами, состоящую в возникновении у каждой молекулы индуцированного электрического момента (Рис.13.4);

3. ионную поляризацию в кристаллических диэлектриках, имеющих ионные кристаллические решетки. Она состоит в смещении положительных ионов решетки вдоль направления поля, а отрицательных ионов в противоположную сторону.

Мерой поляризации диэлектрика является вектор поляризации (поляризованность) - векторная сумма дипольных моментов молекул (атомов) единицы объема диэлектрика: , (13.2)

где N - число диполей - молекул, содержащихся в объеме V диэлектрика, - дипольный электрический момент i -й молекулы (атома), i - номер молекулы, S - знак суммирования.

Рассмотрим диэлектрик во внешнем электрическом поле напряженностью (электрическое поле в вакууме – в сухом воздухе) (Рис.13.5). В результате поляризации в диэлектрике возникнут связанные заряды, полярность которых будет противоположна полярности внешнего электрического поля. Связанные заряды создают свое электрическое поле напряженностью , противоположно направленное внешнему электрическому полю. В результате сложения напряженностей внешнего поля и поля связанных зарядов, в диэлектрике будет возникать электрическое поле (ЭП), напряженность которого:

. (13.3)

Т.е., напряженность результирующего электрического поля в диэлектрике становится меньше, чем напряженность внешнего электрического поля.

Характеристикой способности диэлектрика уменьшать внешнее электрическое поле является относительная диэлектрическая проницаемость e (греч. “эпсилон”):

, (13.4)

которая показывает во сколько раз напряженность электрического поля в вакууме больше напряженности поля в данной среде.

Если поляризованный диэлектрик убрать из внешнего электрического поля, то, за счет теплового хаотического движения молекул, поле в диэлектрике, обусловленное появлением связанных зарядов начнет исчезать, а его напряженность Е _св будет с течением времени уменьшаться по экспоненциальному закону (Рис.13.6):

, (13.5)

где Е _св - напряженность ЭП связанных зарядов в данный момент времени t, Е _{св max} – максимальная напряженность ЭП связанных зарядов в момент отключения внешнего поля (t =0), k - коэффициент диэлектрической поляризации.

Итак, пусть мы поляризовали диэлектрик, поместив его во внешнее электрическое поле. Это значит, что в самом диэлектрике возникло внутреннее электрическое поле связанных зарядов. Отключим теперь внешнее электрическое поле. В этот момент мы можем зафиксировать (например, вольтметром) максимальное электрическое поле связанных зарядов в самом диэлектрике - . Но, за счет теплового хаотического движения молекул, поле, как было отмечено выше, начнет уменьшаться. Если измерить промежуток времени t = T, за который напряженность электрического поля связанных зарядов в диэлектрике уменьшится в два раза, т.е. станет равным , то уравнение (13.5) для этого момента времени примет вид: .

После сокращения получим: или .

Перевернув дробь, получим: .

Прологарифмируем левую и правую часть: .

Учитывая свойства натурального логарифма, что (показатель степени можно выносить за знак логарифма) и (натуральный логарифм числа е – экспоненты равен единице) получим:

.

Тогда коэффициент диэлектрической поляризации диэлектрика:

. (13.6)

Большинство питательных веществ (овощи, фрукты и др.) по своим физическим свойствам близки к диэлектрикам. В работе предусмотрено измерять коэффициент диэлектрической поляризации питательных веществ, по величине которого можно определять качество питательных веществ.

Дата добавления: 2014-10-31