- •Расчётно-графическое задание 4 расчёт характеристик поляризации разреженного водяного пара
- •1. Краткие теоретические сведения
- •1.1. Введение
- •1.2. Электрические свойства вещества
- •1.3. Характеристики процесса поляризации
- •Поляризуемость и ее составляющие (1, 2,3) (Леше а.,1987). Для перевода в si значения необходимо умножить на 40
- •Выражение (11) в скалярной форме можно записать в виде
- •Поле Лорентца
- •1.4. Диэлектрическая проницаемость вещества
- •1.5. Формула Клаузиуса – Моссотти и молярная рефракция
- •Молярная рефракция
- •1.6. Теория поляризации полярных газов. Разреженный газ
- •Теория Дебая
- •1.7. Теория поляризации конденсированных сред Формула Онзагера
- •Формула Кирквуда
- •Теория Фрелиха и ее модификации
- •1.8. Растворы
- •2. Содержание задания
- •Часть I. (Общие понятия)
- •Часть II (экспериментальные данные водяного пара)
- •Часть III (Конденсированное состояние вещества)
- •Часть IV (Молярная рефракция газообразного вещества)
- •3. Контрольные задачи
- •Литература, рекомендуемая для самостоятельной работы
1.3. Характеристики процесса поляризации
Рассмотрим влияние электрического поля на молекулярные диэлектрики, к которым относятся вещества, практически не имеющие свободных зарядов. Молекулярные диэлектрики подразделяются на полярные и неполярные. Полярные диэлектрики состоят из молекул (Н2О, NH3, SO2, …), у которых центры "тяжести" положительных и отрицательных зарядов разделены в пространстве. Такие молекулы имеют постоянные дипольные моменты . У неполярных диэлектриков (Н2, О2, СО2, СН4, …) постоянные дипольные моменты отсутствуют, несмотря на то, что некоторые молекулы могут иметь химические связи с дипольными моментами.
При внесении молекул в электрическое поле происходит их поляризация. Процесс перераспределения электрической плотности молекул и ориентации их дипольных моментов, происходящий под действием электрического поля, называется поляризацией. Поляризация подразделяется на деформационную и ориентационную. Деформационная поляризация обусловлена смещением в пространстве (относительно своих прежних положений) центров тяжести электронной и ядерной плотностей, поэтому она подразделяется на электронную и ядерную (атомную). Ориентационная поляризация обусловлена ориентацией в пространстве дипольных моментов структурных частиц (в молекулярных системах – молекул).
Поляризация вещества как явление характеризуется временем диэлектрической релаксации d, поляризуемостью молекулы , дипольным моментом молекулы в среде р, дипольным моментом молекулы в вакууме ( – постоянный дипольный момент), деформационным дипольным моментом рдеф, поляризованностью вещества Р, диэлектрической проницаемостью , диэлектрической восприимчивостью , молярной поляризацией Рм, коэффициентом упорядоченности диполей в пространстве gк, L(x) и др., ориентирующим фактором х. Возникновение поляризации объясняется воздействием на молекулу и систему молекул электрических полей: локального F (поляризация отдельных частиц) и максвелловского Е (поляризация макроскопической системы частиц).
Время диэлектрической релаксации
При внесении в электрическое поле молекул устанавливается электронная, ядерная и, в последнюю очередь, ориентационная поляризации. После выключения поля процесс идет в обратном направлении. Время, за которое поляризация достигает предельного значения после включения поля, и равное ему время, за которое поляризация исчезает после выключения поля, называется временем релаксации. Время релаксации ориентационной поляризации у некоторых веществ оно может достигать 102с. Оно зависит от природы молекул и свойств окружающей среды. Статическому полю отвечает статическая поляризуемость (поляризуемость в постоянном поле). Скорость нарастания или убывания поляризации постоянно меняется. Она тем больше, чем дальше находится поляризация от равновесной.
Свойства диэлектрика в переменных электрических полях характеризуются комплексной диэлектрической проницаемостью * – i, где – действительная, – мнимая части диэлектрической проницаемости.
В переменном поле поляризация зависит от частоты и времени релаксацииd. При достаточно низких частотах и поляризуемость совпадает со статической поляризуемостью. При очень высоких частотах и дипольный момент р может вообще не возникнуть (частицы "не чувствуют" поля). В промежуточных случаях, особенно при d 1/, наблюдаются явления дисперсии и поглощения.
Время релаксации электронной составляющей поляризации порядка – (10-15 – 10-14) с, ядерной – (10-13 – 10-12) с, ориентационной – (10-2 – 10-11) с. Время релаксации электронной и ядерной поляризации из-за различия масс электронов и ядер отличаются друг от друга на 3–4 порядка. Время релаксации ориентационной поляризации d.ор существенно больше времени релаксации ядерной (атомной) d.яд. Это различие обусловлено тем, что электронная и ядерная поляризации представляют собой электрические процессы, а ориентационная – механический процесс. Время релаксации ориентационной поляризации зависит от величины ориентирующего фактора х (х рF/kT), где р – дипольный момент, F – напряженность поля в области расположения молекулы, kT – энергия теплового движения: чем больше величина х, тем быстрее система приходит в состояние равновесия.
Поляризуемость молекулы и деформационный момент
Поляризуемость () – это способность частицы к поляризации. Сумма электронной (эл) и ядерной (яд) поляризуемостей называется деформационной поляризуемостью деф. Ядерная поляризуемость намного меньше электронной, поэтому ее вкладом в поляризацию часто пренебрегают, полагая, что дефэл.
При взаимодействии электрического поля с диполем возникает вращательный момент, ориентирующий диполи вдоль поля. Этот процесс характеризуется ориентационной поляризуемостью ор. Ориентации молекул-диполей вдоль направления поля противодействует тепловое движение молекул и их столкновения.
Коэффициент ориентации дипольных моментов вдоль электрического поля определяется величиной ориентирующего фактора х: чем больше х (чем больше рF и меньше kТ), тем выше коэффициент ориентации диполей вдоль поля. Максимальное значение коэффициента ориентации не должно превышать 1.
Общая поляризуемость частицы состоит из деформационной и ориентацонной поляризуемостей:
общ (эл + яд) + ор деф + ор.
Структура большинства молекул неодинаково реагирует на продольную и поперечную деформации, поэтому поляризуемость молекул определяется их симметрией и зависит от направления электрического поля.
Поляризуемость молекулы – величина тензорная. Компоненты тензора поляризуемости молекулы составляют матрицу, которая симметрична относительно главной диагонали. Среднее значение диагональных элементов тензора поляризуемости – среднее значение поляризуемости молекулы :
= (хх + уу + zz) / 3.
Средняя поляризуемость определяет среднее значение дополнительного (деформационного, индукционного) дипольного момента, наведенного полем при разных ориентациях молекулы:
рдеф F.
В табл. 1 приведены значения средней поляризуемости и ее составляющих в направлении главных осей молекулы.
Таблица 1