Лекция Кіріспе. Электростатика. Зарядтың сақталу заңы. Кулон заңы. Электр өрісі. Өріс кернеулігі. Кернеулік вектор сызықтарының ағыны
Лекция 6. Диэлектриктердегі электр өрісі. Еркін және байланысқан зарядтар
жүктеу/скачать 0,95 Mb.
|
| Лекция 6. Диэлектриктердегі электр өрісі. Еркін және байланысқан зарядтар.
Электростатикалық өрістегі диэлектриктер Диэлектриктер кез келген зат сияқты атомдар мен молекулалардан тұрады. Оң заряд атом ядросында, теріс заряд атомдар мен молекулалардың электрондық қабықшаларында жинақталған. Жалпы алғанда, оң және теріс зарядтар өзара тең, сондықтан атом (молекула) электрлік нейтрал. Молекуланы электрлік диполь ретінде қарастыруға болады. Диэлектриктерді үш топқа бөлуге болады. Бірінші топтағы диэлектриктерге (N2, Н2, О2, СО2, СН4, ...) молекулалары құрылымы симметриялы заттар жатады, яғни оң жәнен теріс зарядтардың ауырлық центрі сыртқы электр өрісі болмаған кезде бір-біріне сәйкес келеді, ендеше молекулалардың дипольдік моменті нөлге тең болады. Осындай диэлектриктердің молекулалары полярлы емес деп аталады. Сыртқы электр өрісі әсерінен полярлы емес молекулалар зарядтары қарама-қарсы бағытқа ығысады (оң өріс бағытымен, теріс зарядтар өріске қарама-қарсы) да, молекулалар дипольдік моментке ие болады. Екінші топқа жататын диэлектриктерге (H2O, NН3, SO2, CO,...) молекулаларының құрылымы асимметриялы заттар жатады, яғни оң және теріс зарядтарының ауырлық центрлері сәйкес келмейді. Сонымен, бұл молекулалар сыртқы электр өрісі болмаған кезде дипольдік моментке ие болады. Осындай молекулалары бар диэлектриктер полярлы деп аталады. Сыртқы электр өрісі болмаған кезде полярлы молекулалардың дипольдік моменттері жылулық қозғалыс әсерінен кеңістікте бей-берекет орналасады да, нәтижесінде қорытқы момент нөлге тең. Осындай диэлектрикті сыртқы электр өрісіне орналастырсақ, онда осы өріс күштері дипольдерді өріс бағытында бұруға тырысады да, нөлге тең емес қорытқы момент пайда болады. Үшінші топқа жататын диэлектриктерге (NaCl, KCl, КВr, ...) иондық құрылымында заттар жатады. Иондық кристалдар дұрыс кезектесіп орналасқан әртүрлі таңбалы иондар тұратын кеңістіктік тор құрады. Бұл кристалдардан жеке молекулаларды бөліп алуға болмайды, оларды бір-бірінен ығысқан иондық торшалар деп ақарастырады. Иондық кристалдарға сыртқы электр өрісін беретін болсақ, онда кристалдық тордың қандай да бір деформациясы немесе торшалардың салыстырмалы ығысулары болады. Бұл дипольдік моменттің пайда болуына алып келеді. Сонымен, диэлектриктердің барлық үш тобында да оған сыртқы электр өрісін бергенде нөлден өзгеше дипольдік моменттер пайда болады, басқаша сөзбен айтқанда диэлектрик проляризацияланады. Диэлектриктердің үш тобына сәйкес оларда үш түрлі полряризация болады: электрондық немесе деформацияланған поляризация – полярлы емес молекулаларда электрондық орбиталар деформациясы нәтижесінде атомдарда дипольдік моменттер пайда болады; бағытталушы, немесе дипольдік поляризация – полярлы молекулаларда дипольдік моменттер өріс бойынша бағытталып орналасады. Шынында да, жылулық қозғалыс молекулалардың бағытталып орналасуына бөгет жасайды, бірақ екі фактордың әсерінен (электр өрісі мен жылулық қозғалыс) молекулалардың дипольдік моменттері жеткілікті дәрежеде бағытталып орналасады. Ол электр өрісі кернеулігіне тура, ал температураға кері пропорционал болады. Иондық поляризация – иондық кристалдық торлары бар диэлектриктерде байқалады, оң иондар өріс бағытымен, ал теріс иондар өріске қарама-қарсы бағытталып, дипольдік моменттің пайда болуына алып келеді. Диэлектрикті сыртқы электр өрісіне орналастырсақ, ол поляризацияланады да, оның дипольдік моменті мынаған тең болады: , мұндағы -бір молекуланың дипольдік моменті. Диэлектрик поляризациясы дегеніміз сыртқы өріс әсерінен диэлектрик дипольдарының орналасуы. Диэлектрик поляризациясын сандық сипаттау үшін поляризациялану деген физикалық шама енгіземіз, ол бірлік көлемдегі диполь моментімен анықталады. (1) тәжірибелер көптеген диэлектриктердің поляризациялануы өріс кернеулігіне сызықты байланыста екендігін көрсетті. Егер диэлектрик изотропты және мәні өте үлкен болмаса, онда (2) мұндағы - заттың диэлектриктік өтімділігі, ол диэлектриктің қасиеттерін сипаттайды. Бұл өлшемсіз шама. Әртүрлі зарядталған екі шексіз параллель жазықтықтар туғызған біртекті сыртқы электр өрісі арасына диэлектрик қояйық (1-сурет). 1-сурет
Өріс әсерінен диэлектрик поляризацияланады, зарядтардың ығысуы пайда болады: оң зарядтар өріс бойымен, теріс зарядтар өріске қарсы. Осының нәтижесінде диэлектриктің оң қырында көлемдік тығыздығы болатын оң зарядтар, ал сол қырында көлемдік тығыздығы болатын теріс зарядтар артық болады. Осы поляризациядан пайда болған компенсирленбенген зарядтар байланысқан зарядтар деп аталады. Олардың беттік тығыздығы жазықтықтың еркін зарядтарының тығыздығы -дан кем болады. Өрістің кернеулік сызықтарының бір бөлігі диэлектриктен өтіп кетеді, ал қалған бір бөлігі байланысқан зарядтарда үзіліп қалады. Сондықтан, диэлектрик поляризациясы өрісті алғашқы сыртқы өріспен салыстырғанда кемітеді. Диэлектриктен тыс жерде . Сонымен, байланысқан зарядтар сыртқы (еркін зарядтар тудырған) өрісіне қарсы бағытталған қосымша электр өрісін тудырады, ол сыртқы өрісті кемітеді. Диэлектрик ішіндегі қорытқы өріс (екі шексіз зарядталған жазықтықтар тудырған өріс), сондықтан (3) Байланысқан зарядтардың беттік тығыздығын анықтайық. Диэлектрик пластинкаларының толық дипольдық моменті , мұндағы - пластинка қырларының ауданы, - оның қалыңдығы. Екінші жағынан толық диполь моменті байланысқан зарядтардың -дің олардың ара қашықтықтарының көбейтіндісіне тең болады, яғни . Сонымен, немесе (4) яғни байланысқан зарядтардың беттік тығыздығы поляризациялануға тең болады. Орындарына қойсақ Диэлектрик ішіндегі қорытқы өріс кернеулігі (5) Екінші жағынан былай да жазуға болады: (6) (5), (6) ескерсек, онда (7) Шынында да, өрістің диэлектрик есебінен неше есе кемитінін көрсетеді. Диэлектриктегі электростатикалық өрісті сипаттау үшін электрлік индукция (ығысу) векторы ұғымын енгіземіз. Ол мынаған тең: (2) және (7) теңдеулерді ескерсек, онда электрлік ығысу (8) Электрлік индукция (ығысу) векторы ортаның қасиеттеріне байланысты емес, ол еркін зарядтар тудыратын өрісті сипаттайды. векторы тек еркін зарядтардан басталады және аяқталады. Байланысқан зарядтар орналасқан өріс аймақтарында векторының сызықтары үзілмейді. жүктеу/скачать 0,95 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|