Статью подготовили специалисты образовательного сервиса Zaochnik
Неполярные диэлектрики
- 6 мая 2023
- 6 минут
- 528
Молекула является системой, состоящей из положительных и отрицательных зарядов. При перемещении диэлектрика в электрическое поле, он вызывает смещение зарядов в молекуле, тем самым создает дипольный момент.
Свойство атома или молекулы приобретать дипольный момент во внешнем электрическом поле так же, как и количественная характеристика способности зарядов к смещению, получило название поляризуемость.
Коэффициент поляризуемости молекулы
Существуют вещества, в состав которых входят незаряженные атомы, как у молекулы водорода. Такую неполярную молекулу при отсутствии действия внешнего поля можно сравнить с двумя равномерно заряженными сферами с совпадающими центрами.
Поле равномерно заряженной сферы во внешнем пространстве аналогично полю точечного заряда с той же величиной, что и заряд сферы, перемещенный в ее центр. Электрический момент такой молекулы равняется нулю. При попадании в электрическое поле заряды начинают смещение относительно друг друга в противоположные стороны. Молекула вызывает электрическое поле, совпадающее с полем диполя. У такого диполя каждый из точечных зарядов равняется заряду сферы, а его плечо – расстоянию между центрами сфер.
Смещение зарядов в слабых полях считается пропорциональным напряженности внешнего электрического поля. Дипольный момент молекулы →pe равняется:
→pe0=βε→E' с →E' в качестве напряженности поля, действующего на молекулу (в жидкостях и газах →E'≠→E, →E считается средним макроскопическим полем). Будет рассмотрен газ, в котором →E'≠→E·β - это коэффициент поляризуемости молекулы, зависящий от строения молекулы.
Формула →pe0=βε→E' используется при работе с молекулами, имеющими сферическую симметрию. Данный тип получил название электронной поляризации.
Если дано, что неполярный диэлектрик находится во внешнем поле, причем локальное равняется среднему полю внутри диэлектрика →E'=→E, то каждая из молекул обладает дипольным моментом →pe, который выражается через формулу →pe0=βε→E'. Вектор поляризованности имеет вид:
→P=nβε0→E с n в качестве концентрации молекул диэлектрика. Вектор электрического смещения находится из формулы:
→D=ε0→E+→P=ε0→E(1+nβ).
Если диэлектрик изотопный, то
→D=εε0→E.
Отсюда ε=1+nβ.
Применение уравнения говорит о связи диэлектрической проницаемости ε с концентрацией молекул в диэлектрике и поляризуемостью молекул. Оно приближенное, так как считалось, что электрическое поле, вызывающее смещение зарядов в молекуле, равняется среднему полю в диэлектрике, это не является верным. Среднее поле (→E) способно учитывать действие всех зарядов, поле →E' выражает их действие кроме рассматриваемой молекулы.
Напряженность локального поля
Для получения выражения диэлектрической проницаемости для плотных диэлектриков, следует произвести нахождение напряженности локального поля →E'. Задача нетривиальна, так как поле зависит от внутренней структуры диэлектрика. Кристаллы с кубической решеткой по модели Лоренца говорит о том, что:
→E'=→E+→P3ε0. →P учитывается в качестве вектора поляризованности кристалла. Формула приближенно применима для неполярных жидкостей и газов с хаотично располагаемыми молекулами.
Формула →E'=→E+→P3ε0 позволяет вычислять поляризованность плотных диэлектриков. Отсюда вектор поляризованности :
→P=nβε0(→E+→P3ε0).
Для вычисления вектора смещения применяют первую часть выражения :
→D=ε0→E+→P=ε0→E+nβε0(→E+→P3ε0)=ε0→E+13nβ(→D+2ε0→E).
Формула Клаузиуса-Моссотти
Для изотропного диэлектрика →D=εε0→E, поэтому из формулы выше следует:
ε-1ε+2=nβ3.
Формула получила название формулы Клаузиуса-Моссотти. Она показывает, что слева расположенное выражение для неполярных диэлектриков прямо пропорционально концентрации молекул, то есть и плотности диэлектрика.
Это было подтверждено опытным путем. Если n=const, то ε не зависит от температуры, так как β находится в зависимости от строения молекулы.
Оценить атомную диэлектрическую восприимчивость атома водорода β. Направление напряженности внешнего поля перпендикулярно плоскости движения электрона в атоме. Использовать рисунок 1.
Рисунок 1
Решение
Основой решения задачи – условие равновесия движущегося электрона внешнего поля →E:
qE=q24πε0(x2+r2)cos .
При :
.
Следовательно, формула способствует получению
,
где .
Для неполярных диэлектриков имеем соотношение дипольного момента молекула вида:
, тогда при использовании для :
.
Нормальное состояние говорит о том, что среднее расстояние электрона от ядра в атоме водорода составит , произведем вычисления:
.
Ответ: .
Состав воздуха предположительно из молекул азота и кислорода. Найти средний радиус молекулы воздуха при известном коэффициенте атомной поляризуемости .
Решение
Следует принять за основу выражение, которое связывает с радиусом неполярной молекулы из предыдущего примера:
.
Необходимо выразить искомый радиус:
.
Подставим числовые значения и получим:
.
Ответ: радиус молекулы .
Сохранить статью удобным способом