Условие задачи
Какие диэлектрики называют полярными, а какие-неполярными
Решение
Дисциплина, к которой относится эта задача, – физика (электродинамика и физика твёрдого тела, раздел «электрооптика» или «свойства dielectrics»).
Рассмотрим подробное решение задачи.
1. Основное понятие.
Диэлектрики – вещества, не проводящие ток при нормальных условиях, в которых при наличии внешнего электрического поля возникают поляризация и сдвиг зарядов.
2. Полярные диэлектрики.
Молекулы полярных диэлектриков имеют постоянный электрический дипольный момент, то есть у них уже при отсутствии внешнего поля распределение зарядов несимметрично. Пусть в молекуле есть одна часть с избытком положительного заряда и другая – с избытком отрицательного. Обозначим постоянный дипольный момент как p. При приложении внешнего поля E молекулы могут ориентироваться так, что их дипольный момент начинает выравниваться по направлению силовых линий поля. Энергия ориентации определяется выражением
U = – p · E
и приводит к возникновению упорядоченной ориентации, что существенно влияет на величину и характер поляризации вещества.
Примеры полярных диэлектриков: вода (Н₂О), алкоголи, органические соединения с выраженной группой –OH, –NH₂ и т.п.
3. Неполярные диэлектрики.
В молекулах неполярных диэлектриков отсутствует постоянный дипольный момент. Это происходит вследствие симметричного распределения зарядов в молекуле. При отсутствии внешнего поля p = 0. Однако при воздействии электрического поля возможно возникновение индуцированного дипольного момента. При смещении электронного облака относительно ядер, даже симметричные молекулы становятся поляризованными. Это описывается соотношением
p_ind = α · E
где α – дипольная поляризуемость молекулы. При этом ориентация индуцированного диполя происходит мгновенно с изменением направления поля и не связана с постоянной внутренней структурой.
Примеры неполярных диэлектриков: газы (например, азот N₂, кислород O₂), углеводороды, некоторые органические жидкости без полярных групп.
4. Итоговое различие.
• Полярные диэлектрики характеризуются наличием постоянного дипольного момента p₀ ≠ 0 в каждой молекуле.
• Неполярные диэлектрики не имеют постоянного дипольного момента (p₀ = 0) и могут быть поляризованы только за счёт индуцированной поляризации, p_ind = α · E.
Таким образом, по определению:
— диэлектрики называют полярными, если их молекулы обладают постоянным электрическим дипольным моментом, что позволяет им ориентироваться в внешнем электрическом поле;
— диэлектрики называют неполярными, если их молекулы не имеют постоянного дипольного момента и могут быть поляризованы лишь за счёт смещения зарядов (индуцированный дипольный момент).
Это и есть основные критерии, используемые в физике для классификации диэлектриков.