Диэлектрики, молекулярное строение, электрический момент

Диэлектриком называется вещество, основным электрическим свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле.

Характерной особенностью диэлектриков является наличие сильно связанных положительных и отрицательных зарядов в молекулах, из которых состоит вещество. Из существующих видов связи для диэлектриков, применяемых в электро- и радиотехнике, наиболее типичными являются ковалентная неполярная, ковалентная полярная или гомеополярная, ионная или гетерополярная, донорно-акцепторная. Силы связи определяют не только строение и основные свойства вещества, но и наличие в нём хаотично или упорядоченно ориентированных электрических моментов в микро- или макроскопических объёмах вещества.

Электрический момент появляется в системе из двух одинаковых по величине и разноимённых по знаку электрических зарядов ±q , расположенных на некотором расстоянии l друг от друга, и определяется соотношением ? = ql.

Такую систему зарядов принято называть дипольной, а молекулу, образуемую этой системой зарядов - диполем.

Ковалентная связь возникает при объединении атомов в молекулы, в результате которого происходит обобществление валентных электронов и дополнение внешней электронной оболочки до устойчивого состояния.

Молекулы с ковалентной неполярной связью возникают при объединении одноимённых атомов типа H2, О2, Сl2, С, S, Si и т.д. и имеют симметричное строение. В результате совпадения центров положительного и отрицательного зарядов электрический момент молекулы равен нулю, молекула неполярная и вещество (диэлектрик) - неполярное.

Если молекулы с ковалентной связью образуются из разноимённых атомов за счёт обобществления пар валентных электронов, например, Н2О, СН4, СН3Сl и т.д., то отсутствие или наличие электрического момента будет зависеть от взаимного расположения атомов относительно друг друга. При симметричном расположении атомов и, следовательно, совпадении центров зарядов - молекула будет неполярной. При несимметричном расположении за счёт смещения центров зарядов на определённое расстояние возникает электрический момент, молекула называется полярной и вещество (диэлектрик) - полярным.
Структурные модели неполярных и полярных молекул представлены на рисунке ниже.


Независимо от того, полярный или неполярный диэлектрик, наличие электрического момента в молекулах приводит к возникновению собственного электрического поля в каждом микроскопическом объёме вещества. При хаотической ориентации электрических моментов молекул за счёт их взаимной компенсации суммарное электрическое поле в диэлектрике равно нулю. Если электрические моменты молекул ориентированы преимущественно в одном направлении, то электрическое поле возникает во всём объёме вещества.

Такое явление наблюдается в веществах с самопроизвольной (спонтанной) поляризацией, в частности, в сегнетоэлектриках.

Ионная и донорно-акцепторная связи возникают при образовании вещества из разноимённых атомов. При этом атом одного химического элемента отдаёт, а другой присоединяет или захватывает электрон. В результате образуются два иона, между которыми возникает электрический момент.

Таким образом, по строению молекул можно разделить диэлектрики на три группы:

• неполярные диэлектрики, электрический момент молекул которых равен нулю;
  
• полярные диэлектрики, электрический момент молекул которых отличен от нуля;
  
• ионные диэлектрики, в которых электрический момент возникает между ионами химических элементов, составляющих вещество.
  

Наличие электрических моментов в диэлектриках, независимо от причин их возникновения, определяет их основное свойство - способность поляризоваться в электрическом поле.