Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Естествознание arrow Общая физика
Посмотреть оригинал

Зависимость поляризуемости от частоты переменного электрического поля

Поляризация является мерой «отклика» диэлектрика на действие внешнего электрического поля. Как действует статическое (не изменяющееся во времени) электрическое поле, мы уже рассмотрели и получили выражение для электронной, атомной и ориентационной поляризуемостей. Измерить полную поляризуемость а в статическом поле можно, поместив диэлектрик в конденсатор, емкость которого зависит от диэлектрической проницаемости (см. формулы (5.70) и (5.74)) материала, находящегося между его обкладками. Посмотрим теперь, что произойдет, если электрическое поле будет переменным, изменяющимся, например, по гармоническому закону с частотой v. Если в переменном электрическом поле находится полярный диэлектрик, его молекулярные диполи поворачиваются как целое, когда поле меняет направление. Пока частота изменения поля невелика, диполи успевают повернуться, следуя за его изменением. В области высоких частот, когда v ~ 106—107 Гц, начинает сказываться инерционность молекул, и они уже не успевают поворачиваться. Это приводит к уменьшению вклада ориентационных процессов в общую поляризацию диэлектрика. При больших частотах молекулы практически не будут реагировать на изменение направления поля, и ориентационная поляризуемость диэлектрика станет равной нулю.

В случае атомного механизма поляризации действие переменного электрического поля приводит к колебаниям атомов в молекуле вдоль прямой, совпадающей с направлением вектора Ело к. Пока частота колебаний меньше 1012 Гц поляризуемость остается постоянной. Однако при больших частотах аат также приближается к нулю из-за инерционности ядер.

При электронном механизме поляризации действие переменного поля заключается в колебаниях электронного окружения молекул относительно ядер. Поскольку электронное облако является наименее инерционной частью атома, электронная поляризуемость остается постоянной вплоть до очень высоких частот со ~ 1015 Гц, соответствующих колебаниям напряженности электрического поля в электромагнитных волнах, воспринимаемых как свет. При еще более высоких частотах электронная поляризуемость аэл молекулы становится практически равной нулю, так как и электронное облако, вследствие и его инерционности, не будет успевать смещаться на сколько-нибудь заметное расстояние за время действия поля такой высокой частоты.

На рисунке 5.29 схематически приведена кривая частотной зависимости поляризуемости молекулы, обладающей одновременно всеми тремя видами поляризуемости. Из анализа кривой видно, что полная поляризуемость сх = ам + аат +аор остается неизменной до области сверхвысоких частот (СВЧ). В области СВЧ (~1010 Гц) поляризованность падает за счет исключения вклада схор. В интервале частот от СВЧ до инфракрасных (ИК) а практически не изменяется и остается равной аат + аэл. Затем в области от ИК до ультрафиолетовых (УФ) частот а вновь не изменяется и остается равной уже только аэл. При еще более высоких частотах поляризуемость молекулы спадает практически к нулю.

Схема влияния частоты внешнего измерительного электрического поля на результат измерения коэффициентов поляризации

Рис. 5.29. Схема влияния частоты внешнего измерительного электрического поля на результат измерения коэффициентов поляризации

Зависимостью поляризуемости от частоты объясняется, в частности, то, что диэлектрическая проницаемость воды в статических (или низкочастотных) полях равна 81, а при оптических частотах — всего лишь 1,77. Это различие связано главным образом с ориентационной поляризацией, которая является определяющей при низких частотах (благодаря большому электрическому моменту молекулы Н20 (см. рис. 5.24 и табл. 5.1)) и практически не дает никакого вклада в поляризацию уже при ИК частотах.

Иначе обстоит дело в твердых телах. Способность молекулы изменять свою ориентацию существенно зависит от ее формы и сил взаимодействия с окружающими молекулами. Если форма молекулы близка к сферической и ее электрический момент невелик, то она довольно легко может изменять свою ориентацию (например, молекулярная группировка СН4). Менее симметричны молекулы НС1 и Н20. В твердой фазе они имеют несколько устойчивых ориентаций и сравнительно медленно переходят из одной устойчивой ориентации в другую. Среднее время т такого перехода называют временем релаксации. Величина, обратная времени релаксации, называется частотой релаксации. Когда частота внешнего переменного электрического поля больше частоты релаксации, молекулярная система уже не будет реагировать на действие такого поля. Время релаксации зависит от температуры и агрегатного состояния вещества. Так, для воды (при Т = 20 °С) т = 3 • 10 с, а для льда (при Т= —20 °С) т = 10_3 с.

 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы