Дипольные моменты диэлектрика

Диэлектрики отличаются от проводников тем, что в них при невысоких температурах и в отсутствие сильных электрических полей в них нет свободных электрических зарядов. Молекулу диэлектрика можно рассматривать как диполь, состоящий из зарядов +q и -q. Диполь характеризуется дипольным моментом и создает электрическое поле.

В молекулах некоторых диэлектриков (H₂, N₂ и др.) электроны расположены симметрично вокруг ядер. В этих молекулах центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают. Дипольный момент таких молекул в отсутствие внешнего электрического поля равен нулю. Такие диэлектрики называются неполярными.

Если неполярную молекулу поместить во внешнее электростатическое поле, то происходит смещение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов пропорционально напряженности этого поля. В молекуле наводится (т.е. индуцируется) дипольный момент , ориентированный вдоль поля (Рис.7).

, (9.22)

где - множитель пропорциональный третьей степени радиуса орбиты, т.е. объему атома, называемый поляризуемостью атома.

Большую группу диэлектриков составляют вещества в молекулах, которых электроны расположены несимметрично вокруг ядер. В таких молекулах центры тяжести положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля не совпадают и молекулы этих диэлектриков имеют постоянный дипольный момент . Такие диэлектрики называются полярными. Примеры полярных диэлектриков - . Эти молекулы в электрическом поле ведут себя подобно жесткому диполю, расстояние между зарядами +q и -q которого постоянно и не зависит от того, действует на него внешнее электрическое поле или нет. Но это не означает, что внешнее поле не влияет на жесткий диполь, помещенный в это поле.

Предположим, что жесткий диполь помещен в однородное электрическое поле так, что его дипольный момент расположен под углом φ к вектору напряженности внешнего поля Рис.8.

Из рисунка видно, что на диполь действует пара сил , равных по величине. Момент этой пары сил равен:

. (9.23)

Поскольку дипольный момент молекулы и напряженность поля величины векторные, то уравнение (9.23) может быть записано в векторном виде:

(9.24)

Вектор направлен перпендикулярно плоскости, проходящей через вектора , которые лежат в плоскости чертежа. Причем с конца вращение от первого сомножителя ко второму сомножителю на кратчайший угол должен происходить против часовой стрелки. На Рис.8 вектор направлен за чертеж. Момент пары сил стремиться так, повернуть диполь, чтобы вектора были колинеарны, т.е. направлены в одну сторону.

Если диполь находится в неоднородном поле, то он стремится переместиться в область наибольшей напряженности поля и ориентироваться так, чтобы вектора были колинеарны, т.е. направлены в одну сторону.

Этим объясняется притяжение к заряженному телу легких предметов (кусочков бумаги, пыли, дыма). Под влиянием поля в легких предметах появляются индуцированные электрические заряды, и эти предметы ведут себя, как диполи. Это явление используется в технике для создания электрофильтров.

Дата добавления: 2014-01-07