Лекция_4_2к_3с_Электромагнетизм_Электростатика

1.

Физика. 2 курс. 3 семестр
2025-2026 учебный год
Лекция 3.2 Электромагнетизм
Раздел 1: Электростатика
- Поляризация диэлектриков
- Поляризуемость молекул
В.И. Читайкин
кандидат физико-математических наук
доцент

2.

План лекции
Наименование раздела
Номер
слайда
Введение
3
Раздел 1. Поляризация диэлектрика
(используется материал лекции 3 с дополнениями)
4
1.1. Типы молекул
5
1.2. Молекула во внешнем электрическом поле
6
1.3. Поляризация диэлектрика-вещества и её виды
(сводная таблица)
7
1.4. Оценка поляризованности диэлектрика-вещества
8
Раздел 2. Поляризуемость молекул
(используется материал лекции 3 с дополнениями)
9
Предварительное замечание
10
2.1. Определение и табличные значения поляризуемости
для некоторых молекул
11
2.2. Молекула в переменном внешнем электрическом поле
12
2

3.

Введение
В 4-ой лекции продолжено рассмотрение вопросов по теме «Диэлектрики».
В разделе 1 более подробно, чем в лекции 3, изложен вопрос поляризации диэлектрика, в
основном, с точки зрения связи типа поляризации со свойствами молекул.
В разделе 2 лекции также подробнее, чем в лекции 3, изложен вопрос поляризуемости
молекул, в том числе, вопрос воздействия на молекулу переменного внешнего электрического
поля.
В 4-ой лекции используется материал из 3-ей лекции – в силу тематической схожести – с
необходимыми дополнениями.
Изучение темы «Диэлектрики» будет продолжено в следующей лекции.
3

4.

Раздел 1. Поляризация диэлектрика
(используется материал из лекции 3, с дополнениями)
4

5.

1. Поляризация диэлектрика
1.1. Типы молекул
Как известно (см. лекцию 3), свойства диэлектриков в значительной мере определяются типом
молекул, из которых они состоят.
1. Полярные молекулы: молекула, в целом, электронейтральна, но в ней всё же есть
●
«центры тяжести» положительного и отрицательного зарядов, разнесённых на
расстояние l (верхний рис.). Полярная молекула является диполем и имеет дипольный
момент p = q∙l. Примеры полярных молекул: H2O, HCl, NH3, SiO2 …
2. Неполярные молекулы: также электронейтральная молекула, в которой отрицательно
заряженное электронное облако распределено симметрично относительно ядра,
заряженных положительно (средний рис.). Для неполярных молекул l = 0, следовательно,
дипольный момент р = 0. Примеры: H2, O2, CO2, CH4 …
3. Ионные «кристаллы» или пространственная решётка с чередованием ионов разных
знаков (нижний рис.). Такая решётка состоит из элементарных кристаллических ячеек –
своего рода, «молекул». (Сколько ячеек показано на рисунке?)
Пространственное распределение ионов в кристалле таково, что дипольный момент
каждой ячейки рi = 0, каждая ячейка электронейтральна.
«Кристалл» в целом также электронейтрален, его суммарный дипольный момент р = 0.
Примеры: NaCl, LiCl, KBr…
Свойства молекул указаны в отсутствие внешнего электрического поля!
5

6.

1. Поляризация диэлектрика
1.2. Молекула во внешнем электрическом поле
Поведение молекул во внешнем электрическом поле определяет особенности поляризации
диэлектрика. На молекулы разных типов действие такого поля происходит различным образом.
1. Полярные молекулы: во внешнем электрическом поле Е0 происходит их ориентация так, что
положительный заряд этой молекулы-диполя становится направленным «по полю», т.е. в сторону
«стрелки Е0», отрицательный заряд молекулы-диполя – в противоположную сторону, «против
поля», т.е. против «стрелки Е0».
2. Неполярные молекулы: вначале происходит пространственное разделение положительного и
отрицательного зарядов внутри молекулы с сохранением её целостности, т.е. неполярная молекула
становится, по сути, полярной. Электронейтральность молекулы в целом сохраняется. Затем
происходит ориентация таких молекул по внешнему полю Е0 так же, как и первоначально полярных
молекул (см. п.1).
3. Ионные кристаллы: происходит небольшая деформация кристаллической решётки или
относительное смещение положительной и отрицательной подрешёток. У кристалла возникает
нескомпенсированный дипольный момент.
6

7.

1. Поляризация диэлектрика
1.3. Поляризация диэлектрика-вещества и её виды (сводная таблица)
Тип молекулы
Полярная
(молекуладиполь)
Неполярная
Ионный кристалл
(элементарная
кристаллическая ячейка – см.
сл.5)
Поведение молекулы
во внешнем поле Е0
Вид поляризации
диэлектрика-вещества
во внешнем поле Е0
Ориентация (поворот): положительный заряд направлен
по полю, отрицательный
заряд – против поля
Ориентационная (или
дипольная)
Вначале – пространственное Электронная (или
разделение зарядов внутри
деформационная)
молекулы (молекула становится полярной).
Затем – ориентация по внешнему полю – как полярная
молекула
Смещение ионов («+» и «-»)
в кристаллической ячейке по
и против внешнего поля,
соответственно – см. рис.
справа
Ионная
Итоговое состояние диэлектрика-вещества
во внешнем поле Е0
Е0
Результаты всех видов
поляризации во внешнем
поле Е0:
Е
1). Диэлектрик-вещество
сохраняет:
- целостность,
- электронейтральность;
2). Внутри диэлектрикавещества возникает среднее макроскопическое
поле Е = Е0 – Е1;
Е0 = 0
Е0
3). У диэлектрикавещества появляется
суммарный дипольный
момент, р ≠ 0.
7

8.

1. Поляризация диэлектрика
1.4. Оценка поляризованности диэлектрика-вещества
Количественная характеристика поляризованности диэлектрика – это параметр χ.
χ - диэлектрическая восприимчивость вещества, иногда используется другая буква
.
Параметр χ связан с поляризацией диэлектрика Р и средним макроскопическим электрическим
полем Е в диэлектрике соотношением:
Параметр χ также связан с диэлектрической проницаемостью вещества: χ = ε – 1.
Параметры χ и ε являются характеристиками конкретного вещества, их значения следует брать
из таблиц.
Вещество
Вода
Масло
(техн.)
Парафин
Слюда
Стекло
Фарфор
Эбонит
ε
χ
81
80
2,2
1,2
2,0
1,0
7,0
6,0
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
Обратите внимание на аномально высокие значения параметров для воды.
8

9.

Раздел 2. Поляризуемость молекул
(используется материал из лекции 3, с дополнениями)
9

10.

2. Поляризуемость молекул
2.1. Предварительное замечание
Не следует путать два похоже звучащих термина: поляризованность и поляризуемость.
Они близки и по смыслу, но всё же между ними есть принципиальное отличие.
Термин «поляризованность» относится к диэлектрику – как макрообъекту, т.е. к
веществу – см., напр, сл.8.
Термин «поляризуемость» относится к молекулам – как микрообъектам, из которых
вещество-диэлектрик состоит.
10

11.

2. Поляризуемость молекул
2.1. Определение и табличные значения поляризуемости
для некоторых молекул
Вновь вернёмся к свойствам молекул, а именно, к их поляризуемости. То есть: к способности
молекул под действием внешнего электрического поля приобретать электрический дипольный момент р.
Количественной характеристикой способности молекул поляризоваться является параметр α,
который так и называется – поляризуемость молекулы.
Поляризуемость молекул α однозначно определяет диэлектрическую восприимчивость χ вещества,
образованного этими молекулами:
χ = N∙α.
N – число молекул в единице объёма
Значения α для конкретных молекул получены, в основном, экспериментальным путём и содержатся
в справочных таблицах.
Молекула
H20
NH3
CH4
Значения α указаны в см3∙1025,
т.е. αэксп(Н2О) = 14,6·10-25 см3.
Эксперимент
14,6
22,6
26,0
Расчёт
10,5
13,9
14,6
Обратите внимание на большое
расхождение расчётных и
экспериментальных величин.
11

12.

2. Поляризуемость молекул
2.2. Молекула в переменном внешнем электрическом поле
Поляризуемость молекул – это не мгновенный процесс, он занимает определённое время τ – время
релаксации – см. таблицу.
Тип молекулы
(см. слайды 5 и 7)
Полярная
молекула
Неполярная
молекула
Ионный
«кристалл»
Вид поляризуемости
Дипольный
Электронный
Ионный
Время релаксации τ, с
10-6 …10-10
10-14 … 10-15
10-13
В постоянном электрическом поле все виды поляризуемости для всех типов молекул успевают
произойти, т.к. время действия постоянного поля много больше, чем время релаксации.
В переменном электрическом поле ситуация иная. Напряжённость такого поля Е0 меняет величину и
направление с частотой ω или с периодом Т ~ 1 / ω (вспомните раздел «Колебания» из курса
«Механика»).
Если период колебаний поля Т будет сопоставим или меньше времени релаксации для
определённого типа молекул, т.е. Т ≤ τ, то соответствующая поляризованность не успеет произойти.
(Говорят так: «поле меняется быстрее, чем успевает подстраиваться молекула».)
Молекулы данного типа останутся неполяризованными.
12

13.

2. Поляризуемость молекул
2.2. Молекула в переменном внешнем электрическом поле (продолжение)
Графически этот эффект удобно изобразить в координатах: α (поляризуемость молекул) как
функция частоты колебаний переменного внешнего электрического поля ω ~ 1/Т.
α
Т – период колебаний напряжённости внешнего поля Е
τ – время релаксации (см. пред. слайд)
ω0~1/τ
ω
В реальном диэлектрике поведение молекул
во внешнем переменном поле сложнее, но общая
закономерность прослеживается:
С ростом частоты колебаний поля ω (показано стрелкой):
- вначале прекратят поляризоваться полярные молекулы,
для которых τ = 10-6 … 10-10 с, соответствующие значения
ω0 = 106…10 Гц;
- затем ионные «кристаллы» прекратят поляризоваться,
τ ~ 10-13 с, ω0 ~ 1013 Гц;
- при очень высоких частотах не будут поляризоваться
неполярные молекулы, τ = 10-14 …10-15 с, ω0 = 1014…15 Гц.
Попробуйте
разобраться
сами.
13

14.

Спасибо за внимание