Dipolni moment električnega dipola je enak. Dipolni moment molekule in vezi

DIPOLNI MOMENT električna, vektorska količina, ki označuje asimetrijo porazdelitve pozitiv. in zanikati. naboji v električno nevtralnem sistemu. Dva enaka naboja +q in -q tvorita električni naboj. dipol z dipolnim momentom m = q l, kjer je l razdalja med naboji. Za sistem n nabojev q i so radijski vektorji r i, B in mol. sistemi centri bodo postavljeni. naboji q A sovpadajo s položaji (radius vektorji r A), elektronska porazdelitev pa je opisana z gostoto verjetnosti r(r). V tem primeru dipolni moment dipolni moment je usmerjen od težišča je negativna. pozitivne naboje proti težišču. V kem. V literaturi se dipolni moment včasih pripisuje tudi v nasprotni smeri. Pogosto se uvaja koncept dipolnih momentov posameznih kemikalij. vezi, katerih vektorska vsota daje dipolni moment. V tem primeru je sklopni dipolni moment določen z dvema pozitivnima vrednostima. naboji jeder, ki tvorijo vez, in porazdelitev so negativni. (elektronski) naboj. D ipolni moment kem. povezavo povzroči premik elektronskega oblaka proti enemu od . Komunikacija poklicana polaren, če se ustrezni dipolni moment bistveno razlikuje od nič. Obstajajo lahko primeri, ko so posamezne vezi v in je skupni dipolni moment enak nič; taki se imenujejo nepolarni (npr. CO 2 in CCl 4). Če je dipolni moment drugačen od nič, se imenuje. polarni. Na primer, H 2 O je polaren; seštevek dipolnih momentov dveh polarnih OH vezi da prav tako različen od nič dipolni moment, usmerjen vzdolž simetrale HOH. Vrstni red velikosti dipolnega momenta je določen s produktom naboja (1.6. 10 - 19 C) za dolžino kemikalije povezave (približno 10 - 10 m), to je 10- 29 Kl. m.V referenčne knjige dipolni momenti so podani v Debyeju (D ali D), poimenovani po P. Debyeju; 1 D = 3,33564. 10 - 30 Kl. m. Spektroskopski metode za določanje dipolnih momentov temeljijo na učinkih cepitve in premikanja spektralnih črt v el. polje (). Za linearne in simetrične vrhove so znani natančni izrazi, ki povezujejo dipolni moment z razcepom Starkove črte. Ta metoda daje največ. natančne vrednosti dipolnega momenta (do 10 - 4 D), eksperimentalno pa se določi ne samo velikost, ampak tudi smer dipolnega momenta. Pomembno je, da je natančnost določanja dipolnega momenta skoraj neodvisna od njegove absolutne vrednosti. količine. To je omogočilo pridobitev zelo natančnih vrednosti zelo majhnih dipolnih momentov serije, ki jih z drugimi metodami ni mogoče zanesljivo določiti. Tako je dipolni moment enak 0,085 b 0,001 D, 0,364 b 0,002 D, 0,780 b 0,001 D, 0,375 b 0,01 D, 0,796 b 0,01 D. Vendar pa je obseg metode omejen na majhne, ​​ki ne vsebujejo težki elementi. Smer dipolnega momenta je lahko določen eksperimentalno in po drugem redu. dr. skupina metod za določanje dipolnega momenta temelji na dielektričnih meritvah. prepustnost e in-va. Te metode so bile uporabljene za merjenje dipolnih momentov več kot 10 tisoč. Prehod iz izmerjene vrednosti e , čisto ali razredčeno. raztopina, tj. makroskopska. značilnosti, na velikost dipolnega momenta temelji na teoriji. Menijo, da pri uporabi električnega polja so polna R(povprečni dipolni moment na enoto prostornine) je sestavljen iz induciranega ali induciranega, R m in orientacijo R ali in je povezano z m Langevin-Debyejeva enačba:

kjer je M mol. masa, d - gostota, a - , N A - , k - , T - abs. t-ra. Dielektrične meritve prepustnost se izvaja v konstantnem polju ali pri nizkih frekvencah, kar zagotavlja popolno orientacijo vzdolž polja. Pri maks. pogosta različica metode - meritve v redčenju. raztopine nepolarnih topil - predpostavlja se aditivnost raztopljene snovi in ​​topila. Primerjava dipolnih momentov nekaterih org. prejetih povezav različne metode, prikazano v tabeli.


Najpomembnejše področje uporabe podatkov o dipolnih momentih so strukturne študije, ki določajo konformacijsko in izomerno sestavo snovi ter njeno odvisnost od temperature. Vrednosti dipolnih momentov omogočajo presojo odvisnosti te porazdelitve od narave posameznika poslanci Na splošno strukturna interpretacija dipolnih momentov zahteva primerjavo poskusov. količine z vrednostmi, ki jih je pridobila kvantna mehanika. z izračunom ali z uporabo aditivne vektorske sheme z uporabo dipolnih momentov posameznih vezi in atomskih skupin. Slednje najdemo bodisi z intenzivnostjo vibracij. absorpcijskih pasov ali z vektorsko ekspanzijo dipolnih momentov nekaterih simetričnih. Izračuni z vektorsko aditivno shemo lahko upoštevajo različne stereokemične manifestacije netogost, na primer težko ali prosto. notranji vrtenje Visoko simetrična mol. strukture s središčem, dvema medsebojno pravokotnima osema vrtenja ali osema, pravokotnima na ravnino, ne smejo imeti dipolnih momentov. Na podlagi prisotnosti ali odsotnosti dipolnega momenta je v nekaterih primerih zanj mogoče izbrati eno ali drugo strukturo brez kl. teoretično izračuni. Torej, poskusimo z enakostjo na nič. Dipolni moment dimera aminooksidibutilborana (formula I) služi kot dokaz, da obstaja v obliki stabilne strukture v obliki stola s središčem. Nasprotno, prisotnost dipolnega momenta v tiantrenu (faza II, X = S) in selenantrenu (II, X = Se), ki je enak 1, 57 D oziroma 1, 41 D, izključuje centro-simetrično strukturo zanju, zlasti a ravno.



===
španščina literature za članek "DIPOLNI TRENUTEK": Minkin V.I., Osipov O.A., Zhdanov Yu.A., Dipolni momenti v. L., 1968; Osipov O. A., Minkin V. I., Garnovsky A. D., Priročnik o dipolnih momentih, 3. izd.. M., 1971; Exner O., Dipolni momenti v organski kemiji, Stuttg., 1975. V. I. Munkin.

Stran "DIPOLNI TRENUTEK" pripravljeno z uporabo materialov.

Pojasnil je, da so ti električno polarni in da se zato v električnem polju poleg običajnega (posledično) pojavlja tudi zaradi določene usmerjenosti molekul dipola glede na sile električno polje. Če so v plinastem ali raztopljenem stanju, je ta usmerjenost dipolnih molekul motena zaradi toplotnega gibanja. Zato se komponenta, ki je odvisna od orientacije dipolnih molekul, z naraščanjem zmanjšuje

TO- konstantna;

μ je električni moment dipolne molekule, ki se imenuje .

Zgornja enačba omogoča izračun na podlagi eksperimentalnih podatkov za v plinastem stanju in v obliki nepolarne ( , itd.).

Včasih je puščica postavljena na sredino kovalentne poteze, na primer:

Tako je vrstni red velikosti določen s produktom elementarnega naboja (4,8 ∙ 10 –10 električnih enot) in dolžine, ki je za medatomske razdalje blizu 10 –8 cm. Zato je primerno količine izraziti v tako imenovanih Debye enotah ( D), enako 10 –10 ∙ 10 –8 =10 –18 el.-st. enote∙cm

Za čisto kovalentno (homeopolarno) vez bi morala biti enaka nič, za čisto kovalentno pa bi morala biti merjena s produktom naboja (4,8 ∙ 10 –10 električnih enot) na količino r A+ r B obeh komunikacijskih partnerjev – elementa A in B.

Izkazalo se je, da μ = 0 za naslednje:

2. Simetrična dvoatomna tip A-A: H 2, N 2, O 2, Cl 2.

3. Simetrični linearni triatomski, tetraatomski itd. tipa B-(A) n-B: O = C = O, S = C = S,

4. Simetrični tetraedri tipa AB 4: CH 4, CCl 4, SiCl 4, SnJ 4.

Bistveno različni od nič so: 1. Asimetrični diatomski tip A-B:

2. Asimetrična linearna tip VA-Z;

3. Nelinearni tip B-A-B:

4. tip AB 3:

Prisotnost y, kot je H 2 O, H 2 S, je razloženo z dejstvom, da sta vezi y in nameščeni pod kotom; Iz kvantnomehanskih razlogov bi moral biti ta kot enak 90°, vendar je zaradi medsebojnega odbijanja substituentov nekoliko popačen. Zato se na primer izkaže, da je kot HOH enak ~105°.

Glede na to, da morajo , kot usmerjene količine, upoštevati pravilo vektorskega dodajanja, lahko, če poznamo vrednost kota HOH, sestavimo paralelogram momentov, ki jih uvaja vsaka O-H vez, in poiščemo njihovo vrednost. Ta vrednost μOH je enaka 1,51 D.

Ima pomemben trenutek. Zanjo je bila dokazana piramidna zgradba, ravninski kot na vrhu piramide, kjer se nahaja jedro (kot HNH), pa je ~107°. Izračun, podoben zgornjemu, daje moment sklopke vrednost N-Hμ NH =1,31 D.

Kar se tiče , se je izkazalo, da je ne samo za CH 4 in CH 3 -CH 3, ampak na splošno za vse enako nič.

V tabeli 31 primerja nekatere s funkcionalnimi substituenti. Iz podatkov v tabeli. 31 lahko sklepamo, da je vrednost izvedenih finančnih instrumentov določena predvsem tako, da ostaja skoraj konstantna (ali rahlo narašča) v mejah (majhna odstopanja opazimo le v prvih členih serije).

Pri bolj zapletenih pa je treba upoštevati nekatere značilnosti. Torej, na primer, ker sta CH 4 in CCl 4 enaka nič, bi morala imeti CH 3 Cl in CHCl 3 enako. Vendar se izkaže, da je za CH 3 Cl ta vrednost (1,87 D) bistveno večja kot za CHCl 3, za katerega je μ=0,95 D. To je mogoče pojasniti z dejstvom, da medsebojno odbijanje treh jeder močno deformira kot СlСCl v smeri njegovega povečanja (od 109° do ~116°), posledično pa kote НССl - v smeri njihovega zmanjšanja. .

Primerjava kisikovih spojin

vodi do zaključka, da se kot med , ki je y ~ 105 °, vse bolj deformira v smeri naraščanja v nizu, očitno teži k pridobivanju energijsko najugodnejše konfiguracije, ki spominja na konfiguracijo (kot 112 °).

IN vrstica R-O-H tega očitno ni mogoče doseči za noben radikal R, kar pojasnjuje primerjalno konstantnost momenta enosmernega polja v tej seriji (μ≈l,7 D). Zmanjšanje y (ta kot se nagiba k temu, da se približa 60°) povzroči povečanje, celo v primerjavi z , na vrednost 1,88 D.

Linearni simetrični, kot je O=C=O, imajo μ = 0 zaradi medsebojne kompenzacije nasprotno usmerjenih močnih dipolov S-O povezave(μ CO =2,5 D). Podobna kompenzacija dipolov se pojavi npr. pri dikloro-substituiranih derivatih

Dipolni moment električni, vektorska količina, ki označuje asimetrijo porazdelitve pozitivnih in negativnih nabojev v električno nevtralnem sistemu. Dva naboja enake velikosti +q in -q tvorijo električni dipol z dipolnim momentom m = ql, kje l- razdalja med naboji. Za sistem od n dajatve qi radiji vektorji od katerih r i, V molekularnih sistemih središča pozitivnih nabojev q A sovpada s položaji (radius vektorji r A), elektronska porazdelitev pa je opisana z gostoto verjetnosti r( r).

V tem primeru dipolni moment Vektor dipolnega momenta je usmerjen od težišča negativnih nabojev do težišča pozitivnih. V kem. V literaturi se dipolni moment molekule včasih pripisuje nasprotni smeri. Pogosto se uvaja ideja o dipolnem momentu posameznih kemikalij. vezi, katerih vektorska vsota daje dipolni moment molekule. V tem primeru je dipolni moment vezi določen z dvema pozitivnima nabojema jeder atomov, ki tvorijo vez, in porazdelitvijo negativnega (elektronskega) naboja.

Dipolni moment kemijske vezi nastane zaradi premika elektronskega oblaka proti enemu od atomov. Vez se imenuje polarna, če se ustrezni dipolni moment bistveno razlikuje od nič. Obstajajo lahko primeri, ko posamezne povezave v. in skupni dipolni moment molekule je nič; take molekule imenujemo nepolarne (na primer molekule CO 2 in CCl 4). Če je dipolni moment molekule drugačen od nič, se imenuje molekula. polarni. Na primer, molekula H 2 O je polarna; seštevek dipolnih momentov dveh polarnih OH vezi da prav tako različen od nič dipolni moment, usmerjen vzdolž simetrale HOH.

Vrstni red velikosti dipolnega momenta molekule je določen s produktom naboja (1.6.10 - 19 C) in dolžine kemijske vezi (reda 10 - 10 m), to je 10 - 29 C.m. V literaturi je dipolni moment molekul naveden v Debyeju (D ali D), poimenovanem po P. Debyeju; 1 D = 3,33564,10 - 30 Kl.m.

Spektroskopske metode za določanje dipolnega momenta molekul temeljijo na učinkih cepitve in premikanja spektralnih črt v električnem polju (Starkov učinek). Za linearne molekule in molekule s simetričnim vrhom so znani natančni izrazi, ki povezujejo dipolni moment z razcepom Starkove črte. Ta metoda daje največ. natančne vrednosti vrednosti dipolnega momenta (do 10 - 4 D), in ne samo velikost, ampak tudi smer vektorja dipolnega momenta je pomembna, da je natančnost določanja dipolnega momenta skoraj neodvisno od njene absolutne vrednosti. To je omogočilo pridobitev zelo natančnih vrednosti zelo majhnih dipolnih momentov številnih molekul. ki jih z drugimi metodami ni mogoče zanesljivo določiti. Torej je dipolni moment 0,085 b 0,001 D, 0,364 b 0,002 D, propin 0,780 b 0,001 D, toluen 0,375 b 0,01 D, azulen 0,796 b 0,01 D. Področje uporabe metode mikrovalovne spektroskopije je omejeno na majhne molekule, ki ne vsebujejo težkih elementov. Smer vektorja dipolnega momenta molekule lahko določimo eksperimentalno in z Zeemanovim učinkom drugega reda.

Druga skupina metod za določanje dipolnih momentov temelji na meritvah dielektrične konstante ε snovi. Te metode so bile uporabljene za merjenje dipolnih momentov molekul več kot 10 tisoč snovi. Prehod iz izmerjene vrednosti ε plina, čiste tekočine ali razredčene raztopine, to je makroskopske karakteristike dielektrika, na vrednost dipolnega momenta temelji na teoriji polarizacije dielektrikov. Menijo, da ko se na dielektrik nanese električno polje, pride do njegove popolne polarizacije R (povprečni dipolni moment na enoto prostornine) sestoji iz inducirane oz. inducirane polarizacije R m in orientacijska polarizacija R op in je povezan z m Langevin-Debyejevo enačbo:

kjer je M mol. masa, d - gostota, a - polarizabilnost molekule, N A - Avogadrovo število, k- Boltzmannova konstanta, T - absolutna temperatura. Meritve dielektrične konstante se izvajajo v konstantnem polju ali pri nizkih frekvencah, ki zagotavljajo popolno orientacijo molekul vzdolž polja. V najpogostejši različici metode - meritve v razredčenih raztopinah nepolarnih topil - se predpostavlja aditivnost polarizacij topljenca in topila.

Primerjava dipolnih momentov polarnih molekul nekaterih organskih spojin, dobljenih z različnimi metodami, je prikazana v tabeli.

Najpomembnejše področje uporabe podatkov o dipolnih momentih molekul so strukturne študije, ki določajo konformacijo molekul, konformacijsko in izomerno sestavo snovi ter njeno odvisnost od temperature. Vrednosti dipolnega momenta molekul omogočajo presojo porazdelitve elektronske gostote v in odvisnosti te porazdelitve od narave posameznih substituentov. Na splošno strukturna interpretacija dipolnega momenta zahteva primerjavo eksperimentalnih vrednosti z vrednostmi, pridobljenimi s kvantno mehanskimi izračuni ali z uporabo aditivnega vektorskega načrta z uporabo dipolnih momentov posameznih vezi in atomskih skupin. Slednji najdejo bodisi intenzitete vibracijskih absorpcijskih pasov bodisi z vektorsko ekspanzijo dipolni moment nekaterih simetričnih molekul. Izračuni z vektorsko aditivno shemo lahko upoštevajo različne manifestacije stereokemične nerigidnosti, na primer ovirano ali prosto notranjo rotacijo molekule. Visoko simetrične molekularne strukture, ki imajo središče inverzije, dve medsebojno pravokotni osi vrtenja ali osi, pravokotne na simetrijsko ravnino, ne smejo imeti dipolnega momenta. Na podlagi prisotnosti ali odsotnosti dipolnega momenta molekule je v nekaterih primerih mogoče izbrati eno ali drugo strukturo zanjo brez kakršnih koli teoretičnih izračunov. Tako dejstvo, da je eksperimentalni dipolni moment dimera aminooksidibutilborana (formula I) enak nič, služi kot dokaz, da obstaja v obliki stabilne konformacije, podobne stolu, s središčem inverzije. Nasprotno, prisotnost dipolnega momenta v tiantrenu (formula II, X = S) in selenantrenu (II, X = Se), ki je enak 1,57 D oziroma 1,41 D, zanju izključuje centrosimetrično strukturo, zlasti a ravno.

PREDAVANJE št. 9. DIELEKTRIKI V ELEKTROSTATIČNEM POLJU

UVOD

Gradivo v tem predavanju je namenjeno študiju električnih lastnosti tako pomembnih materialov, kot so dielektriki.

Dielektrični materiali so zelo razširjeni v našem življenju, tako v vsakdanjem življenju kot v tehnologiji; ta položaj je razložen z edinstvenimi lastnostmi teh snovi.

Dielektriki so snovi, ki v normalnih pogojih praktično ne prevajajo električnega toka. V dielektrikih ni prostih nosilcev naboja. Specifični upor dielektrikov. Za primerjavo, kovine.

Glavno področje uporabe dielektrikov so izolacijski materiali v različnih električnih napravah. Osnovne zahteve, ki jih morajo izpolnjevati vsi izolacijski materiali, so visoka stopnja zaščite pred uhajanjem električnega toka v delih tehnične naprave. Skladnost s to zahtevo je potrebna za zagotovitev varnega delovanja opreme in ljudi ter za povečanje učinkovitosti naprave.

Predavanje bo pokazalo, da posebne lastnosti vseh dielektrikov določa njihova notranja zgradba, in sicer električna narava interakcije molekul, ki sestavljajo dielektrik.

1. DIPOL V ELEKTROSTATIČNEM POLJU

1.1. Dipolni moment električnega dipola

Vse dielektrične molekule so električno nevtralne. Vendar pa imajo molekule električne lastnosti. V prvem približku lahko molekulo obravnavamo kot električni dipol.

Oglejmo si preprost sistem nabojev, ki je zelo pomemben v elektrostatiki - električni dipol.

Električni dipol je kombinacija dveh enakih v absolutni vrednosti nasprotnih nabojev, ki se nahajata na razdalji, ki je bistveno manjša od razdalje do obravnavanih točk polja.

Naravnostpovezovanje nabojnih centrov se imenuje os dipola.

Dipolna roka je vektor, usmerjen od negativnega naboja k pozitivnemu in po velikosti enak razdalji med nabojema.

Slika 1

Količina, ki označuje električne lastnosti dipola, se imenuje električni dipolni moment.

Električni dipolni moment je vektor fizikalna količina, ki je enak produktu modula naboja dipola in njegovega kraka

Komentiraj.

1) Dipolni električni moment je vedno sousmerjen z krakom dipola, tj

2) Dimenzija dipolnega momenta v sistemu SI je kulon, pomnožen z metrom.

a) Vzemimo točko A, ki leži na podaljšku osi dipola. Poiščimo jakost elektrostatičnega polja, ki ga na dani točki ustvari električni dipol:

Slika 2

Kot je razvidno iz slike 2, je poljska jakost dipola v točki usmerjena vzdolž osi dipola in je po velikosti enaka:

Nato na podlagi formule za moč elektrostatičnega polja, ki ga ustvari točkasti naboj: , lahko zapišemo:

kjer je razdalja od središča dipola do obravnavane točke A. Po definiciji dipola torej

b) Poljska jakost dipolana točki na pravokotnici, ki je vzpostavljena na os dipola iz njegove sredine.

Ker je točka enako oddaljena od nabojev, torej

, (1)

kjer je razdalja od točke do sredine dipola. Iz podobnosti enakokrakih trikotnikov na podlagi kraka dipola in vektorja dobimo

, (2)

kjer

(3)

Če nadomestimo (1) v (3), dobimo

Vektor ima nasprotno smer od vektorja električni navor dipol, tj

1.3. Električni dipol v enotnem elektrostatičnem polju.

Oglejmo si obnašanje električnega dipola v enakomernem električnem polju. V zunanjem električnem polju na konce dipola deluje par sil, ki teži k vrtenju dipola, tako da se električni moment dipola obrne vzdolž smeri polja (slika 3).

Slika 3

Električno polje deluje na pozitivne in negativne naboje dipola s silo, ki je enaka po velikosti, a nasprotno smer (slika 3)

Takšni sili se imenujeta par sil; ustvarjata navor relativne točke 0, ki leži na sredini na osi dipola. Pod vplivom tega momenta se električni dipol vrti vzdolž polja, tako da je njegov dipolni moment poravnan z jakostjo zunanjega električnega polja:

Skupni (rezultativni) moment, ki deluje na električni dipol iz zunanjega elektrostatičnega polja, je enak:

Kot je znano iz mehanike, je moment sile vedno usmerjen vzdolž osi vrtenja. V našem primeru je vektor navora usmerjen stran od nas pravokotno na ravnino risbe in poteka skozi sredino dipola. Velikost navora je:

2. VEKTOR POLARIZACIJE. DIELEKTRIČNA KONTINUITETNA RAZMERJA

IN DIELEKTRIČNA OBČUTLJIVOST DIELEKTRIKA

Dielektriki so snovi, ki slabo prevajajo električni tok, saj so v dielektrikih vsi elektroni povezani z jedri atomov.

Če nadomestimo pozitivne naboje jeder molekul s skupnim nabojem, ki se nahaja v "težišču" pozitivnih nabojev, in naboj vseh elektronov s skupnim negativnim nabojem, ki se nahaja v "težišču" negativnih nabojev, potem lahko dielektrične molekule obravnavamo kot električne dipole.

Obstajajo tri vrste dielektrikov.

1) Dielektriki z nepolarnimi molekulami , katerih simetrične molekule imajo v odsotnosti zunanjega električnega polja dipolni moment nič (npr. ).

2) Dielektriki s polarnimi molekulami , katerih molekule imajo zaradi asimetrije dipolni moment različen od nič tudi v odsotnosti zunanjega električnega polja (npr. ).

3) Ionski dielektriki (Na primer). Ionski kristali so prostorske mreže z pravilnim menjavanjem ionov različnih predznakov.

Ko dielektrike postavimo v zunanje električno polje, pride do polarizacije dielektrika – vsaka molekula postane električni dipol in pridobi električni dipolni momentin kar je najpomembneje, je orientiran (vrti se vzdolž polja) v zunanjem električnem polju.

Glede na tri vrste dielektrikov ločimo tri vrste polarizacije.

1) Elektronskido polarizacije dielektrika z nepolarnimi molekulami pride zaradi deformacije elektronskih orbit, kar ima za posledico dipolni moment v atomih ali molekulah dielektrika.

2) Orientacija ali dipol polarizacija je značilna za dielektrike s polarnimi molekulami; v tem primeru so obstoječi dipolni momenti molekul usmerjeni vzdolž polja (ta usmeritev je močnejša, čim večja je zunanja poljska jakost in nižja je temperatura).

3) Ionskipolarizacija je značilna za dielektrike z ionskimi kristalne mreže je premik podmreže pozitivnih ionov vzdolž polja in negativni ioni proti polju vodi do pojava dipolnih momentov.

Za kvantitativne značilnosti polarizacija dielektrika, polarizacijski vektor ( polarizacija).

Polarizacijaje vektorska fizikalna količina, ki je enaka razmerju med skupnim dipolnim električnim momentom celotnega dielektrika in prostornino tega dielektrika:

Vektorska dimenzija polarizacija dielektričnost je mogoče enostavno določiti s to formulo:

Upoštevajte, da je dimenzija polarizacija v mednarodnem sistemu enot sovpada z dimenzijo površinske gostote naboja. To dejstvo je zelo pomembno, katerega pomen bo razkrit v nadaljevanju.

Polarizacija dielektrika je proces orientacije električnih dipolov molekul snovi.

Iz izkušenj izhaja, da za velik razred Polarizacija dielektrika je linearno odvisna od jakosti električnega polja v dielektriku:

(4)

Formula (4) velja samo za izotropne dielektrike, to je dielektrike, katerih lastnosti so enake v vseh smereh, ki se nahajajo v elektrostatičnih poljih z ne preveliko intenzivnostjo. Magnituda(kappa) imenujemo dielektrična občutljivost, označuje lastnosti dielektrikov. Dielektrična občutljivost–je brezdimenzijska, pozitivna količina.

Torej se izkaže, da so lastnosti iste snovi glede na električno polje označene z dvema količinama - dielektrična konstanta in dielektrična občutljivost. Zato mora obstajati povezava med temi količinami.

Da bi ugotovili kvantitativno razmerje med dielektrično občutljivostjo in dielektrično konstanto, v enotno električno polje vnesemo dielektrik v obliki pravilnega paralelopipeda, katerega površina stranskih ploskev je S in širina (slika 4).

Pod vplivom zunanjega polja se dielektrik polarizira, tj. dielektrične molekule so usmerjene, tako da so pozitivni naboji molekule zamaknjeni vzdolž polja, negativni naboji molekule pa proti polju. Posledično bo na eni strani dielektrika presežek vezanih pozitivnih nabojev, na drugi strani pa vezanih negativnih nabojev. Znotraj dielektrika so vezani naboji kompenzirani in lahko domnevamo, da v dielektriku ni nabojev.

Pojav vezanih nabojev na stranskih površinah dielektrika vodi do pojava dodatnega elektrostatičnega polja v dielektriku, ki ga ustvarijo vezani naboji. Označimo jakost elektrostatičnega polja vezanih nabojev. Električno polje vezanih nabojev je vedno usmerjeno proti zunanjemu električnemu polju in ga oslabi. Jakost nastalega elektrostatičnega polja znotraj dielektrika je po principu superpozicij enaka vektorski vsoti zunanjih poljskih jakosti in poljske jakosti pripadajočih nabojev:

.

V skalarni obliki ima ta enakost obliko: .

Slika 4

Poiščimo velikost poljske jakosti vezanih nabojev. Dielektrik v električnem polju lahko obravnavamo kot kondenzator, znotraj katerega je vakuum. Površinska gostota nabojev na ploščah takega kondenzatorja je enaka površinski gostoti vezanih nabojev na ploskvah dielektrika. Znano je, da je električna poljska jakost takega kondenzatorja enaka:

V našem primeru torej

Zdaj pa določimo skupni dipolni moment dielektrične plošče z debelino in površino ploskve. Za to uporabimo definicijo vektorja polarizacija dielektrik:

In naboj je enak: krat, torej enakost velja:

Če primerjamo obe dobljeni formuli za moč zunanjega elektrostatičnega polja, lahko potegnemo očiten zaključek, da ima razmerje med dielektrično konstanto in dielektrično občutljivostjo obliko:

ZAKLJUČEK

Ob koncu predavanja o dielektrikih moramo še enkrat poudariti ogromno praktični pomen teh materialov v tehnologiji. S pomočjo znanja, pridobljenega na predavanju, lahko kvantitativno in kvalitativno proučujete procese vpliva dielektrikov na zunanja električna polja.

Praktični pomen vpliva dielektričnih snovi na električno polje, kot ste videli, je osnova pojavov na vmesniku dveh dielektričnih medijev, ki se pogosto uporabljajo v dielektričnih antenah.

Po drugi strani pa dielektriki zasedajo odlično mesto pri načrtovanju različnih vrst kondenzatorjev za povečanje njihove električne zmogljivosti. S tem vprašanjem se bomo ukvarjali na naslednjem predavanju, ki bo posvečeno problemom obnašanja prevodnikov v elektrostatičnem polju.

Vrnimo se k električnim sistemom, ki si jih lahko predstavljamo kot sisteme točkastih nabojev. Predpostavimo, da je v celotnem sistemu nabojev, ki nas zanimajo, električno polje enakomerno. Potem ima formula za silo, ki deluje na sistem, obliko

kjer je skupni naboj sistema. Če je telo električno nevtralno, kot je na primer atom ali molekula, potem sila, ki deluje na tako telo, vsebuje enake količine pozitivno in negativni delci, bo enako nič. Ali to pomeni, da električno nevtralno telo nima interakcije z električnim poljem? Ni težko videti, da ne. V enakomernem polju so sile, ki delujejo na naboje sistema, med seboj vzporedne. Posebej lahko seštejemo sile, ki delujejo na pozitivne naboje, in posebej sile, ki delujejo na negativne naboje. Kot je znano, rezultanta vzporednih sil deluje v "težišču" telesa. Beseda "teža" je v narekovajih, ker zdaj govorimo o o električnem težišču. Posledično se bodo vse sile, ki delujejo na naboje sistema, ki se nahaja v enotnem polju, zmanjšale na dve protivzporedni sili, ki delujeta v težišču pozitivnih in negativnih nabojev (slika 95). Če je sistem električno nevtralen, bosta obe sili enaki; polna moč bo enaka nič, vendar bo na telo deloval par sil z momentom

Trenutek sile lahko deluje na sistem nabojev le, če so »težišča« pozitivnih in negativnih nabojev premaknjena drug glede na drugega.

Vektor, ki je po velikosti enak produktu pozitivnega naboja sistema in razdalje med težiščema, se imenuje dipolni moment sistema. Šteje se, da je dipolni moment usmerjen od negativnega središča do pozitivnega. Dipolni moment sistema določa njegovo obnašanje v enotnem polju. Sistem, prepuščen sam sebi, se vrti v enakomernem električnem polju tako, da njegov dipolni moment sovpada s smerjo električnega polja.

V homogenem polju so vsa dejanja na nevtralnem sistemu električni naboji se reducirajo na moment sile, kjer je dipolni moment sistema enak zmnožku količine elektrike enega predznaka na krak dipola. Torej ni potrebe

razmislite o kompleksni ureditvi katerega koli sistema nabojev v enotnem polju; zamenjati ga je treba z ustreznim dipolom.

Če je sistem v neenakomernem polju, potem dipolni moment ne bo več izčrpno opisoval njegovih lastnosti. To je razvidno iz sl. 96. Štirje naboji, ki se nahajajo na vogalih kvadrata, tvorijo električno nevtralni sistem z dipolnim momentom, ki je enak nič (težišča negativnih in pozitivnih nabojev sovpadajo).

V enakomernem polju na tak sistem ne vplivajo ne sile ne navor. V neenotnih poljih se ta kvadrat seveda lahko premika translacijsko in vrti, saj so sile, ki delujejo na naboje, na splošno različne. Po analogiji z dipolom se tak sistem imenuje kvadrupol. Na isti sliki je prikazan še en nevtralni sistem z ničelnim dipolnim momentom - oktupol.

Za preučevanje zgradbe snovi, ki jo bomo preučevali veliko kasneje, je zelo zanimivo obravnavanje interakcij najpreprostejših električnih sistemov. Poglejmo jih nekaj.

Polnjenje - polnjenje.

Interakcija dveh točkastih nabojev poteka po Coulombovem zakonu

Naboj-dipol.

Prepuščen sam sebi, se dipol vrti tako, da se poravna vzdolž silnic.

Po taki rotaciji dipol ostane negiben v enakomernem polju, v nehomogenem polju pa se umakne, kot je razvidno iz sl. 97, v območje močnejšega polja. V primeru

nehomogeno polje je polje točkastega naboja, bo dipol privlačil ta naboj. Sila privlačnosti je

Če je krak dipola majhen, potem z zmanjševanjem na skupni imenovalec dobimo, zanemarimo vrednost v primerjavi z in vrednost v primerjavi z naslednjo zanimivo formulo:

Naj opozorimo, da sila interakcije med nabojem in dipolom z razdaljo upada hitreje kot Coulombova sila, in sicer je obratno sorazmerna s kubom razdalje.

Primer. Razdalja med atomi v molekuli je 1,28 A, dipolni moment molekule Takrat se elektron, ki se nahaja na razdalji A od molekule, pritegne s silo dina.