Ein Artikel über Dielektrika. Dieser Artikel vereint Materialien aus einer Vielzahl von Elektrotechnik-Tutorials und Büchern. Die molekulare Struktur und das elektrische Moment von Dielektrika werden beschrieben. Ein Dielektrikum ist eine Substanz, deren wichtigste elektrische Eigenschaft die Fähigkeit ist, in einem elektrischen Feld zu polarisieren.
Ein charakteristisches Merkmal von Dielektrika ist das Vorhandensein stark gekoppelter positiver und negativer Ladungen in den Molekülen, aus denen die Substanz besteht. Von den existierenden Bindungsarten für Dielektrika, die in der Elektro- und Funktechnik verwendet werden, sind die typischsten kovalent unpolar, kovalent polar oder homöopolar, ionisch oder heteropolar, Donor-Akzeptor. Die Verbindungskräfte bestimmen nicht nur die Struktur und die Grundeigenschaften eines Stoffes, sondern auch das Vorhandensein von chaotisch oder geordnet orientierten elektrischen Momenten in mikro- oder makroskopischen Volumina eines Stoffes.
Das elektrische Moment erscheint in einem System von zwei elektrischen Ladungen gleicher Größe und entgegengesetztem Vorzeichen ± q, die sich in einem bestimmten Abstand l voneinander befinden, und wird durch das Verhältnis? = ql.
Ein solches Ladungssystem wird gewöhnlich als Dipol bezeichnet, und ein Molekül, das durch dieses Ladungssystem gebildet wird, wird als Dipol bezeichnet.
Kovalente Bindung
entsteht, wenn sich Atome zu Molekülen verbinden, wodurch Valenzelektronen sozialisiert und die äußere Elektronenhülle zu einem stabilen Zustand ergänzt wird.
Moleküle mit kovalenter unpolarer Bindung entstehen, wenn Atome gleichen Namens wie H2, O2, Cl2, C, S, Si usw. kombiniert werden. und haben einen symmetrischen Aufbau. Durch das Zusammenfallen der Zentren positiver und negativer Ladungen ist das elektrische Moment des Moleküls Null, das Molekül ist unpolar und die Substanz (Dielektrikum) ist unpolar.
Wenn Moleküle mit einer kovalenten Bindung aus unähnlichen Atomen aufgrund der gemeinsamen Nutzung von Valenzelektronenpaaren gebildet werden, z. B. H2O, CH4, CH3Cl usw., dann hängt das Fehlen oder Vorhandensein eines elektrischen Moments von der gegenseitigen Anordnung der Atome ab relativ zueinander. Bei einer symmetrischen Anordnung der Atome und damit einer Koinzidenz der Ladungszentren ist das Molekül unpolar. Bei einer asymmetrischen Anordnung entsteht durch die Verschiebung der Ladungszentren in einem bestimmten Abstand ein elektrisches Moment, das Molekül heißt polar und die Substanz (Dielektrikum) ist polar. Strukturmodelle von unpolaren und polaren Molekülen sind in der folgenden Abbildung dargestellt.
Unabhängig davon, ob es sich um ein polares oder unpolares Dielektrikum handelt, führt das Vorhandensein eines elektrischen Moments in Molekülen zum Auftreten eines intrinsischen elektrischen Feldes in jedem mikroskopischen Volumen einer Substanz. Bei einer chaotischen Orientierung der elektrischen Momente von Molekülen aufgrund ihrer gegenseitigen Kompensation ist das gesamte elektrische Feld im Dielektrikum Null. Sind die elektrischen Momente von Molekülen überwiegend in eine Richtung orientiert, so entsteht im gesamten Stoffvolumen das elektrische Feld.
Dieses Phänomen wird bei Stoffen mit spontaner (spontaner) Polarisation beobachtet, insbesondere bei Ferroelektrika.
Ionen- und Donor-Akzeptor-Bindungen
entstehen, wenn ein Stoff aus ungleichen Atomen gebildet wird. In diesem Fall gibt das Atom eines chemischen Elements auf und das andere bindet oder fängt ein Elektron ein. Dadurch entstehen zwei Ionen, zwischen denen ein elektrisches Moment entsteht.
Entsprechend der Struktur der Moleküle lassen sich Dielektrika in drei Gruppen einteilen:
- unpolare Dielektrika, deren elektrisches Moment der Moleküle gleich Null ist;
- polare Dielektrika, deren elektrisches Moment der Moleküle von Null verschieden ist;
- ionische Dielektrika, bei denen zwischen den Ionen der chemischen Elemente, aus denen die Substanz besteht, ein elektrisches Moment auftritt.
Das Vorhandensein elektrischer Momente in Dielektrika, unabhängig von den Gründen für ihr Auftreten, bestimmt ihre Haupteigenschaft - die Fähigkeit, in einem elektrischen Feld zu polarisieren.