Почему диэлектрики не проводят ток
Для ответа на вопрос «почему же диэлектрик не проводит электрический ток?», сначала давайте вспомним что такое электрический ток, а также назовем условия, соблюдение которых необходимо для возникновения и существования электрического тока. А после этого сравним, как ведут себя проводники и диэлектрики применительно к поиску ответа на данный вопрос.
Электрическим током называется упорядоченное, то есть направленное, движение заряженных частиц под действием электрического поля. Таким образом, во-первых, для существования электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц, способных двигаться направленно. Во-вторых, требуется электрическое поле, которое бы приводило данные заряды в движение. И, конечно, должно существовать некое пространство, в котором бы происходило данное движение заряженных частиц, называемое электрическим током.
Свободные заряженные частицы имеются в большом количестве в проводниках: в металлах, в электролитах, в плазме. В медном проводе, например, это — свободные электроны, в электролите — ионы, например ионы серной кислоты (водород и оксид серы) в свинцово-кислотном аккумуляторе, в плазме — ионы и электроны, именно они движутся при электрическом разряде в ионизированном газе.
Для примера возьмем два куска медного провода, и подключим с их помощью маленькую лампочку к батарейке. Что произойдет? Лампочка начнет светиться, а значит в цепи возник постоянный электрический ток. Между концами проводников теперь имеется разность потенциалов созданная батарейкой, а значит внутри проводника начало действовать электрическое поле.
Электрическое поле заставляет электроны внешних оболочек атомов меди дрейфовать по направлению поля — от атома к атому, от атома — к следующему атому, и так далее по цепи, поскольку электроны внешних оболочек атомов металлов намного слабее связаны с ядрами, чем электроны более близких к ядрам электронных орбит. Туда, откуда ушел электрон, приходит другой электрон с отрицательной клеммы батарейки, то есть электроны свободно перемещаются по металлической цепи, легко меняя свою принадлежность к атомам.
Они как-бы идут строем вдоль кристаллической решетки металла в том направлении, в котором их толкает, пытается ускорить, электрическое поле (от минуса — к плюсу источника постоянной ЭДС), при этом на всем своем пути электроны придерживаются атомов кристаллической решетки.
Некоторые электроны по ходу своего движения врезаются в атомы (в силу того что тепловое движение колеблет всю структуру атомов вместе с электронами), в результате происходит нагрев проводника — так проявляется электрическое сопротивление проводников.
Свободные электроны в металле
Изучение металлов при помощи рентгеновских лучей, а также другими методами показало, что металлы обладают кристаллической структурой. Это означает, что они состоят из определенным образом расположенных в пространстве атомов или молекул (строю говоря, ионов), создающих правильное чередование по всем трем измерениям.
В этих условиях атомы элементов оказываются расположенными друг к другу настолько близко, что их внешние электроны в той же мере принадлежат данному атому, как и соседним, вследствие чего степень связанности электрона с каким-либо отдельным атомом практически отсутствует.
В зависимости от рода металла по крайней мере один из электронов каждого атома, иногда два электрона, а в немногих случаях и три электрона оказываются свободными в отношении своих перемещений внутри металла, под воздействием наложенных извне сил.
А что в диэлектрике? Если вместо медных проводов взять пластик, бумагу или что-нибудь подобное? Электрического тока не возникнет, лампочка не засветится. Почему? Структура диэлектрика такова, что он состоит из нейтральных молекул, которые даже под действием электрического поля не отпускают свои электроны в упорядоченное движение — просто не могут. В диэлектрике нет свободных электронов проводимости как в металле.
Внешние электроны в атоме каждой молекулы диэлектрика намертво запакованы, к тому же они участвуют во внутренних связях молекулы, при этом молекулы такого вещества в целом электрически нейтральны. Все что могут молекулы диэлектрика — поляризоваться.
Под действием приложенного к ним электрического поля, связанные электрические заряды каждой молекулы просто сместятся немного от положения равновесия, при этом заряженные частицы останутся каждая в своем атоме. Данное явление смещения зарядов называется поляризацией диэлектрика.
В результате поляризации, у поверхности диэлектрика, поляризованного таким образом приложенным к нему электрическим полем, появляются заряды, которые стремятся своим электрическим полем уменьшить внешнее электрическое поле, вызвавшее поляризацию. Способность диэлектрика ослаблять таким образом внешнее электрическое поле, называется диэлектрической проницаемостью диэлектрика.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Электрохимическая коррозия
Электрохимическая коррозия относится к наиболее часто встречающимся процессам постепенного разрушения металла.
Как мы знаем, наше окружение наполнено электричеством.
В зависимости от среды, меняются показатели проводимости. Не отличается то, что при контакте с такой средой сталь начинает постепенно портиться.
У процесса есть несколько важных отличий.
В первую очередь – неодновременное протекание восстановления окислительного процесса и ионизации атомов металла.
На интенсивность распространения при этом влияет такой параметр, как электродный потенциал металла.
Главная причина электрохимической коррозии в том, что большинство металлов проявляют термодинамическую неустойчивость.
Примеры распространения коррозии такого типа встречаются в воде, почве, на открытом воздухе.
Она часто становится причиной потери прочности и постепенного разрушения металла на днище судов, трубопроводов, опор ЛЭП и других объектов.
Если говорить о типах электрохимической коррозии, то называют 3 разновидности:
- щелевые поражения;
- питтинги;
- межкристаллическое повреждение.
Повреждаться могут разные типы металлов в зависимости от их расположения. Ржавчина появляется при контакте со стоячей и текущей водой, в местах соединения разных металлов, а также на сварных швах.
Какие механизмы отвечают за протекание электрохимической коррозии
Такое повреждение металла проводится двумя механизмами – гомогенным и гетерогенным. Рассмотрим каждый из них подробно.
- Гомогенный. Первоначально затрагивается поверхностный слой металлического изделия. Постепенно металл начинает растворяться под действием актов – катодного или анодного. На протяжении определенного времени происходит миграция катода и анода. Со временем процесс ускоряется. Особенность гомогенного механизма в том, что затрагивает как твердые, так и жидкие металлы. Меняется только скорость течения.
- Гетерогенный. У большинства твердых металлов не наблюдается гомогенной поверхности. Это связано с тем, что в самом материале состав кристаллической решетки может отличаться. Также как и в описанном выше случае, формируется анодный и катодный процессы, металл начинает постепенно разрушаться.
У такого вида процесса есть несколько особенностей.
В первую очередь – четкое деление на катодный и анодный процесс. Один из основных факторов, влияющих на их скорость протекания относительно друг друга – это время.
Схема электрохимической коррозии
В зависимости от типа металла, коррозия может быть локализована на отдельных участках. Также наблюдается растворение поверхностного слоя на анодах, что позволяет поражению затронуть обширные площади.
Здесь появляется еще одна особенность протекания процесса – формирование гальванических элементов. Это происходит из-за специфики структуры поверхности, на которой присутствуют микроэлектроды.
Из-за чего начинает развиваться коррозия
После того, как мы рассмотрели суть электрохимической коррозии, пришло время обратить внимание на причины распространения коррозии.
Среди них три распространенные:
- Сплав имеет неоднородную структуру. В большинстве сплавов поверхность негомогенная, потому что в кристаллической решетке присутствуют посторонние включения. Ухудшает ситуацию и присутствие пор макро и микротипа. Это приводит к тому, что продукты коррозии также начинают образовываться неравномерно.
- Неоднородная среда, в которой находится металл. Чтобы коррозия протекла быстрее, важен фактор доступа окислителя. Электрохимическая реакция может быть ускорена.
- Отличие физических условий. Коррозия усиливается в том случае, если происходит облучение, в среде присутствуют блуждающие тока. Негативно влияет и температура, особенно при перепадах. В таком случае разница между холодными и теплыми местами становится причиной появления анода.
Именно по причине различия в критических факторах, скорость электрохимической коррозии может сильно меняться.
Главные внутренние факторы протекания электрохимической коррозии
На интенсивность распространения коррозийного поражения влияют две группы факторов – внешние и внутренние.
Текущее состояние поверхности металла
Когда поверхность металла неровная, коррозийный процесс протекает намного интенсивнее. Если на поверхности присутствуют небольшие выступы, они начинают накапливать воду.
Это может негативно повлиять на интенсивность распространения.
Чтобы не допустить такого фактора, важно использовать отшлифованный или отполированный металл.
Когда сталь гладкая, вода не так сильно повреждает ее, потому что постепенно происходит формирование равномерной пленки по всей поверхности.
Также хорошим средством для уменьшения поражения становится применение пассивирования, а также ряд других способов.
Степень термодинамической стойкости металла
Разные виды материалов отличаются разными показателями термодинамической устойчивости.
Наиболее стойкие разновидности материала не разрушаются при помещении в агрессивную среду.
Чтобы понять, есть ли у металла склонность к коррозии под действием термодинамических факторов, измеряют потенциал анодного и катодного процесса, а также изобарно-изотермического.
Именно такой фактор оказывает большое влияние на потенциальное воздействие среды на постепенное развитие коррозии.
К сожалению, у большинства представленных в продаже марок металлов стойкость невысокая. Есть и неустойчивые разновидности, у которых этот риск нивелируется благодаря склонности к образованию пассивных пленок на поверхности.
Кристаллографическая структура
Оказывает прямое воздействие на металл.
Как известно, атомы в кристаллической решетке располагаются по-разному. Лучше защищены те разновидности, у которых атомы упакованы неплотно.
Особенности решетки также учитывают при планировании защиты материала методом создания на нем специальных пленок. И пленка и сам основной материал должны четко соответствовать по составу друг другу или быть максимально приближенными.
В этом случае исключается появление напряжения, которое негативно отражается на текущем состоянии заготовки. Если контакт с агрессивной средой все-таки происходит, материал начинает разрушаться слой за слоем.
Гетерогенность
Этот фактор рассматривается в непосредственной связи с величиной зерна металла.
Если в сплаве есть выраженные анодные включения, они сильно влияют на ускорение протекания коррозии.
Катодные включения не столь опасны, потому что на интенсивности процесса не отражаются. Величина зерна как фактор риска рассматривается не так часто и этим показателем можно пренебречь.
Не стоит сбрасывать со счетов и механические факторы
Важно понимать, что многие конструкции из металла используются под постоянным напряжением.
К этой категории относится повышенное внутреннее напряжение, когда сильно увеличивается риск деформации.
Негативно влияют на качество металла также воздействие истирания, периодические контакты с другими металлическими изделиями.
Такой фактор оказывает значительное влияние на интенсивность распространения повреждения.
Даже если само сырье первоначально обладало стойкостью к потенциальным повреждениям, в таком случае она уменьшится – формируемые пленки просто не будут закрепляться на поверхности.
Потому лучше сразу исключить это условие электрохимической коррозии – постараться не использовать металлоконструкции под пиковыми сильными нагрузками, не допускать возникновения трения и соприкосновения между собой стальных деталей.
Основные внешние факторы электрохимической коррозии
Кроме внутренних, на металл также влияют и внешние факторы.
Они могут не только ускорять, но и замедлять процесс, а также влиять на характер его протекания.
К ним относятся следующие:
- Температура. Температура сильно влияет на то, как себя ведет металл в разных условиях. От нее сильно зависит то, насколько быстро будут растворяться вторичные продукты коррозии. Среди других особенностей – запуск и стимуляция диффузионных процессов в металле, создание перенапряжения на электродах и другие проявления. Когда металлическое изделие помещается в растворы с кислородной деполяризацией, по мере прогрева электролита диффузия окислителя ускоряется. На фоне этого наблюдается сильное снижение перенапряжения ионизации кислорода.
Если деталь помещается в растворы неокисляющихся кислот, наблюдается коррозия с водородной деполяризацией.
Повышение температуры уменьшает скорость распространения повреждений, потому что сильно снижается перенапряжение водорода.
Отдельно стоит отметить ситуацию, когда металл уже покрывается специальной защитной пленкой. В этом случае сам тип пленки будет влиять на то, как именно она поведет себя при контакте с разными видами внешних угроз, в том числе, с повышением температуры.
Нагрев и охлаждение могут отразиться на состоянии катодов и анодов через их внутренние процессы.
В некоторых случаях полярность электродов значительно меняется.
Как мы уже отмечали выше, проблемы могу возникать из-за того, что разные участки детали нагреты до отличающихся друг от друга температур.
В этом случае стремительно увеличивается количество термогальванических пар, стимулирующих распространение коррозии на новые участки.
- Уровень рН раствора, в который помещен металл. Такой показатель как рН указывает, насколько в растворе будут активными ионы водорода, и как быстро коррозия будет распространяться по материалу. Это опасно, потому что может непредсказуемо менять потенциал катодных процессов, формирование окисных пленок. Также создается значительное перенапряжение реакции на электродах. Рекомендуется не допускать контакта металла со средами, у которых показатель рН высокий.
Если по каким-то причинам металлическая заготовка оказалась помещена в раствор, большое значение будет иметь скорость, с которой он движется, а также само наличие внутренних колебаний.
Заранее определить точное воздействие будет сложно по той причине, что всегда непросто предсказать, как поведут себя нейтральные электролиты.
Cчитается, что при смешении электролита, меняются показатели диффузии кислорода, что значительно отражается на процессе протекания коррозии.
Можно уделять меньше внимания скорости движения электролита в том случае, если вы имеете дело со средами повышенной кислотности.
На них подобное поражение оказывает минимум влияния.
Чем отличаются анодный и катодный процессы
Если вы внимательно проследите за тем, как работает гальванический элемент, то увидите, что в нем протекают сразу два связанных друг с другом процесса – анодный и катодный.
Рассмотрим их более подробно.
Анодный процесс
В химии показывается формулой Fe → Fe2+ + 2e. Она показывает, что постепенно запускается окисление, ионы металла начинают переход в раствор.
Катодный процесс
Может протекать по-разному.
В частности, переизбыток электронов решается ассимиляцией атомами электролита и его молекул. На фоне этого происходит восстановительная реакция непосредственно на самом катоде.
Формула будет зависеть от того, в каких условиях протекает реакция.
Так при наличии водородной деполяризации можно записать процесс как 2 H+ + 2e → H2.
Важно понимать, что оба процесса сильно связаны друг с другом под влиянием кинетического фактора.
С течением времени может происходить взаимное замедление или ускорение анодного или катодного процесса. При этом сам анод всегда будет оставаться тем местом, на котором формируется коррозия металла.
Во время анализа протекания процесса коррозии часто обращают внимание на электропроводящие фазы и момент после их соприкосновения.
Обычно одна фаза имеет положительный заряд, в то время как другая – отрицательный. Это приводит к появлению разности потенциалов.
Таким образом возникает ДЭС или как его часто называют ученые – двойной электрический слой с ассиметричным расположением частиц в местах, где фазы разделяются.
Опасным для металла становится скачок потенциалов. Он может стимулироваться двумя центральными причинами:
- Большая накопленная энергия гидратации. В таком случае наблюдается отрыв ионов металла и постепенное перетекание их в раствор. На поверхности в результате остается аналогичное число электронов, заряд становится отрицательным. Далее, в соответствии с законами физики, наблюдается перетекание катионов из раствора, формируется ДЭС на границе, как мы уже описывали выше.
- Разряжение катионов электролита. В результате металл начинает стремительно принимать положительный заряд. ДЭС появляется из-за активности анионов раствора в контакте с катионами электролита.
Что происходит в том случае, если поверхностный слой металла совсем не имеет определенного заряда?
В таком случае ДЭС наблюдаться не будет, возникнет явление нулевого заряда.
Его потенциал будет отличаться в зависимости от того, с каким металлом вам приходится работать.
Описанный процесс значительно отражается на том, как протекает коррозия и как быстро она захватывает все новые и новые участки металла.
В современной науке нет средств, которые могли бы точно измерить величину скачка потенциала, значит и процесс формирования электродвижущей силы оказывается на таким интенсивным.
Если рассматривать вопросы, связанные с процессом поляризации, можно написать отдельную статью на эту тему.
Потому далее мы рассмотрим другой важный показатель – поляризацию.
Поляризация и ее влияние на скорость протекания коррозии
Процесс поляризации связан с интенсивностью распространения электрохимической коррозии.
Этот показатель отражает, насколько сильное перенапряжение наблюдается на определенном участке.
Принято выделять три вида поляризации:
- Электрохимическая. Чаще всего наблюдается в ситуации, когда катодный и анодный процессы начинают замедляться.
- Фазовая. Возникает в том случае, если на поверхности материала формируется новая фаза.
- Концентрационная. Этот процесс появляется в том случае, если есть очень малые показатели скорости отвода продуктов коррозии, а также подхода деполяризатора.
Особенности поляризации также стоит учитывать в том случае, если вы заинтересованы в дополнительной защите металлов от постепенного разрушения.
Обеспечиваем эффективную защиту от коррозии
Наша компания предлагает заказчикам защиту металлоконструкций разных типов от коррозии.
В пользу работы с нами говорит сразу несколько факторов:
- Опыт работы с 2007 года, есть постоянные заказчики.
- Большие производственные площади. Три цеха для горячего цинкования, мощность 120 тысяч тонн в год.
- Универсальность. Работаем со множеством видов изделий благодаря установленной на предприятии самой глубокой ванны в ЦФО – 3,43 метра.
Мы используем в процессе проверенное европейское оборудование. Даем гарантию соответствия качества товаров требованиям ГОСТ 9.307-89.
Чтобы получить дополнительные консультации и ответы на интересующие вас вопросы, звоните нам или оставляйте заявку на сайте.
Почему поляризации нет в металлах
ПОЛЯРИЗАЦИЯ в электрохимии, отклонение значения электродного потенциала от равновесного при пропускании электрич. тока. Величина поляризации зависит от плотности тока i, т.е. силы тока, отнесенной к единице пов-сти электрода, и обычно тем больше, чем больше i. При одном и том же значении i поляризация зависит от природы электрода и типа протекающей на его пов-сти р-ции, состава р-ра, т-ры и др. факторов и может колебаться от долей мВ до неск. В. Знак поляризации зависит от направления протекания тока и при изменении направления меняется на обратный.
Причиной поляризации служит малая скорость одной или нескольких стадий суммарного электродного процесса. Если лимитирующей стадией является подвод реагирующего в-ва к пов-сти электрода, поляризация обусловлена тем, что из-за протекания тока концентрация c s в-ва у пов-сти отличается от объемной концентрации с u (концентрационная поляризация). В простейшем случае разряда ионов металла на электроде из того же металла или анодного растворения металла концентрационная поляризация | D E| = [RT/nF]ln(c s /с u ), где n-число электронов, участвующих в электродном процессе, T-т-ра, F- постоянная Фарадея, R — газовая постоянная. При катодном осаждении металла D Е < 0, при анодном растворении металла D Е > С. Связь между величинами D Е и i может быть выражена в виде:
где i д — предельный диффузионный ток, отвечающий условию c s = 0. Из этого ур-ния следует, что при | D Е|RT/nF зависимость между i и D Е линейна. При больших отрицат. D Е примерно i = i д , а при больших положит. D Е (анодное растворение металла) i экспоненциально возрастает с ростом D Е.
Если лимитирующей стадией электродного процесса является перенос электронов через границу электрод/р-р, т.е. собственно электрохим. стадия, поляризация наз. электрохимической или перенапряжением, и обычно обозначается буквой h . При | h |RT/F зависимость между h и i линейна. При больших | h | в простейших случаях наблюдается линейная зависимость между | h | и lgi, часто наз. тафелевской, т.к. формально подчиняется Тафеля уравнению.
Если электродный процесс осложнен хим. р-цией, к-рая предшествует электрохим. стадии или следует за ней, то поляризация может быть обусловлена конечной скоростью этой р-ции (хим. стадии). При зарождении новой фазы на пов-сти электрода возникновение поляризации связано со стадиями образования двухмерных или трехмерных зародышей, поверхностной диффузией адсорбир. атомов или ионов, встраиванием их в кристаллич. решетку и т.п.
П оляризация может быть вызвана сразу неск. стадиями процесса (смешанная поляризация). Различение составляющих, обусловленных отдельными стадиями, возможно только при малых значениях поляризации. Идентификация вида поляризации требует исследования влияния на протекание электродного процесса разл. факторов: энергичного перемешивания электролита, что выявляет кинетич. закономерности стадии разряда — ионизации, состава р-ра, зависимости между поляризацией и i и др. Иногда вместо термина «поляризация» используют термин «перенапряжение» с указанием причины, вызывающей его возникновение (диффузионное перенапряжение, электрохим., хим. образование зародышей и т.п.).
П оляризация приводит к бесполезной трате электрич. энергии, т.к. снижает полезное напряжение химического источника тока и повышает напряжение, к-рое необходимо приложить к электролизеру при проведении электролиза. Однако в не-к-рых случаях благодаря поляризации исключается возможность протекания нежелат. побочных процессов. Так, из-за поляризации, затрудняющей электролитич. выделение Н 2 и O 2 из Н 2 О, можно в водных р-рах достичь эдс источников тока 2,0-2,2 В, что существенно превышает термодинамически равновесное значение 1,23 В.
Лит.: Дамаскин Б. Б., Петрий О. А., Введение в электрохимическую кинетику, 2 изд., М., 1983; их же, Электрохимия, М., 1987. О. А. Петрий.
Почему поляризации нет в металлах
Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля и внутреннего поля создаваемого заряженными частицами вещества.
Вещество многообразно по своим электрическим свойствам. Наиболее широкие классы вещества составляют проводники и диэлектрики .
Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. Типичные проводники – металлы.
В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды (рис. 1.5.1). Этот процесс называют электростатической индукцией , а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами .
Индукционные заряды создают свое собственное поле которое компенсирует внешнее поле во всем объеме проводника: (внутри проводника).
Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.
Электростатическая индукция
Все внутренние области проводника, внесенного в электрическое поле, остаются электронейтральными. Если удалить некоторый объем, выделенный внутри проводника, и образовать пустую полость, то электрическое поле внутри полости будет равно нулю. На этом основана электростатическая защита – чувствительные к электрическому полю приборы для исключения влияния поля помещают в металлические ящики (рис. 1.5.2).
Электростатическая защита. Поле в металлической полости равно нулю
Так как поверхность проводника является эквипотенциальной, силовые линии у поверхности должны быть перпендикулярны к ней.
В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.
При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные нескомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.
Связанные заряды создают электрическое поле которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности внешнего поля. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика . В результате полное электрическое поле внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше внешнего поля
Физическая величина, равная отношению модуля напряженности внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности полного поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества .
Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная и электронная поляризации. Эти механизмы проявляются главным образом при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.
Ориентационная или дипольная поляризация возникает в случае полярных диэлектриков , состоящих из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи – нейтральную совокупность двух зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Дипольным моментом обладает, например, молекула воды, а также молекулы ряда других диэлектриков (H2S, NO2 и т. д.).
При отсутствии внешнего электрического поля оси молекулярных диполей из-за теплового движения ориентированы хаотично, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем равен нулю.
При внесении диэлектрика во внешнее поле возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле направленное навстречу внешнему полю (рис. 1.5.3).
Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика
Поляризация полярных диэлектриков сильно зависит от температуры, так как тепловое движение молекул играет роль дезориентирующего фактора.
Электронный или упругий механизм проявляется при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не обладают в отсутствие внешнего поля дипольным моментом. Под действием электрического поля молекулы неполярных диэлектриков деформируются – положительные заряды смещаются в направлении вектора а отрицательные – в противоположном направлении. В результате каждая молекула превращается в электрический диполь, ось которого направлена вдоль внешнего поля. На поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные связанные заряды, создающие свое поле направленное навстречу внешнему полю Так происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 1.5.4).
Деформация неполярных молекул под действием внешнего электрического поля не зависит от их теплового движения, поэтому поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры. Примером неполярной молекулы может служить молекула метана CH4. У этой молекулы четырехкратно ионизированный ион углерода C 4– располагается в центре правильной пирамиды, в вершинах которой находятся ионы водорода H + . При наложении внешнего электрического поля ион углерода смещается из центра пирамиды, и у молекулы возникает дипольный момент, пропорциональный внешнему полю.
Поляризация неполярного диэлектрика
Электрическое поле связанных зарядов, возникающее при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, изменяется по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля В очень сильных электрических полях эта закономерность может нарушаться, и тогда проявляются различные нелинейные эффекты . В случае полярных диэлектриков в сильных полях может наблюдаться эффект насыщения , когда все молекулярные диполи выстраиваются вдоль силовых линий. В случае неполярных диэлектриков сильное внешнее поле, сравнимое по модулю с внутриатомным полем, может существенно деформировать атомы или молекулы вещества и изменить их электрические свойства. Однако, эти явления практически никогда не наблюдаются, так как для этого нужны поля с напряженностью порядка . Между тем, гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.
У многих неполярных молекул при поляризации деформируются электронные оболочки, поэтому этот механизм получил название электронной поляризации . Этот механизм является универсальным, поскольку деформация электронных оболочек под действием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика.
В случае твердых кристаллических диэлектриков наблюдается так называемая ионная поляризация , при которой ионы разных знаков, составляющие кристаллическую решетку, при наложении внешнего поля смещаются в противоположных направлениях, вследствие чего на гранях кристалла появляются связанные (нескомпенсированные) заряды. Примером такого механизма может служить поляризация кристалла NaCl, в котором ионы Na + и Cl – составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. В отсутствие внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла NaCl (см. Часть I § 3.6 ) электронейтральна и не обладает дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки смещаются в противоположных направлениях, т. е. кристалл поляризуется.
При поляризации неоднородного диэлектрика связанные заряды могут возникать не только на поверхностях, но и в объеме диэлектрика. В этом случае электрическое поле связанных зарядов и полное поле могут иметь сложную структуру, зависящую от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем строго справедливо только в случае однородного диэлектрика , заполняющего все пространство, в котором создано внешнее поле. В частности:
Если в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд , то напряженность поля создаваемого этим зарядом в некоторой точке, и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме: