Polarizarea Dielectricilor în Câmp Electric Constant

CAPITOLUL I

Polarizarea dielectricilor în câmp electric constant

1.1. Definiţii

Dielectricii sunt substanţe care nu conduc curentul electric, fiind alcătuiţi din molecule neutre în care există sarcini pozitive şi sarcini negative, în cantităţi egale. Sarcinile pozitive aparţin nucleelor atomice, iar cele negative electronilor din atomi.

După felul moleculelor care îi compun, dielectricii se împart în două clase. Din prima clasă fac parte dielectricii ale căror molecule, în absenţa câmpului exterior, au centrul sarcinilor pozitive în acelaşi loc cu centrul sarcinilor negative. Aceasta înseamnă că mişcarea electronilor în jurul nucleelor se face aşa fel încât moleculele apar neutre în exterior. Prin aplicarea unui câmp electric, mişcarea electronilor se modifică astfel încât centrul sarcinilor pozitive nu mai corespunde cu centrul sarcinilor negative, iar în primă aproximaţie se poate spune că moleculele devin dipoli. Astfel de molecule se numesc nepolare iar dielectricii de acesst tip poartă numele de dielectrici cu dipoli induşi sau nepolari. Ca exemplu de molecule

nepolare sunt moleculele de H2, O2, CO2, CH4.

q

Figura 1.1. Dipol electric

q

Dacă repartiţia sarcinilor electrice din interiorul moleculelor din a doua clasă, în absenţa câmpului electric, nu este uniformă se spune că molecula este polară. În acest caz centrul sarcinilor pozitive nu mai coincide cu centrul sarcinilor negative, ele fiind situate diametral opus. O astfel de moleculă constituie deci un dipol electric caracterizat de momen-

tul dipolar (fig.1.1.) definit prin relaţia:

(1.1.)

Moleculele cu legături ionice posedă un moment dipolar permanent numindu-se molecule polare, iar dielectricii cu acest tip de moecule,

dielectrici polari. Ca exmplu de molecule polare sunt moleculele de H2O,

HCl, NH3, SO4.

O substanţă dielectrică polară are comportare net diferită de substanţa dielectrică nepolară. În substanţa nepolară aplicarea unui câmp electric induce un moment dipolar în fiecare moleculă. Într-un dielectric polar dipolii sunt deja prezenţi, chiar în absenţa câmpului electric, însă ei sunt orientaţi haotic datorită agitaţiei termice, astfel încât, la nivel macroscopic nu au nici un efect. Un câmp electric aplicat are ca efect doar alinierea acestor momente dipolare într-un anumit grad, pe direcţia câmpului. Însă, în ambele procese, efectele macroscopice vor fi determinate de cantitatea

netă de polarizare pe unitatea de volum a dielectricului.

1.1.1. Clasificarea stărilor de polarizaţie

Dielectricii se caracterizează prin stări de polarizaţie electrică cu funcţia de utilizare. Prin starea de polarizaţie electrică se înţelege starea materiei caracterizată prin moment electric al unităţii de volum diferit de zero. Ea poate fi de două tipuri: temporară, dacă depinde de intensitatea locală a câmpului electric în care este situat dielectricul şi permanenţă dacă nu depinde de intensitatea locală a câmpului electric. La rândul ei, polarizaţia temporară poate fi de deplasare (electronică sau ionică), şi de orientare dipolară, iar polarizaţia permanentă poate fi spontană (sau piroelectrică şi piezoelectrică.

Polarizarea de deplasare electrică reprezintă deplasarea limitată şi elastică a învelişuirilor electronice ale atomilor dielectricului sub acţiunea câmpului electric (fig.1.2.a). Acest tip de polarizare este o proprietate universală a materiei numindu-se şi polarizare optică, deoarece intervine în propagarea prin dielectric a câmpurilor electromagnetice de frecvenţe foarte ridicate din domeniul infraroşu, vizibil sau ultraviolet(105107GHz )

Timpul în care se stabileşte polarizarea electronică este foarte mic, de

ordinul 10-15 s.

a.

b.

Figura 1.2. Polarizarea de deplasare: a) dielectrică, b) ionică.

Din această cauză polarizarea electronică se consideră instantanee. Acest tip de polarizare nu este însoţită de pierderi în dielectric. Materialele dielectrice care prezintă numai polarizare de deplasare electronică sunt materialele nepolare.