Напряжение молекул

III. Основы электродинамики

Рассмотрим ситуацию: заряд q0 попадает в электростатическое поле. Это электростатическое поле тоже создается каким-то заряженным телом или системой тел, но нас это не интересует. На заряд q0 со стороны поля действует сила, которая может совершать работу и перемещать этот заряд в поле.

Работа электростатического поля не зависит от траектории. Работа поля при перемещении заряда по замкнутой траектории равна нулю. По этой причине силы электростатического поля называются консервативными, а само поле называется потенциальным.

Потенциал

Система «заряд — электростатическое поле» или «заряд — заряд» обладает потенциальной энергией, подобно тому, как система «гравитационное поле — тело» обладает потенциальной энергией.

Физическая скалярная величина, характеризующая энергетическое состояние поля называется потенциалом данной точки поля. В поле помещается заряд q, он обладает потенциальной энергией W. Потенциал — это характеристика электростатического поля.

Вспомним потенциальную энергию в механике. Потенциальная энергия равна нулю, когда тело находится на земле. А когда тело поднимают на некоторую высоту, то говорят, что тело обладает потенциальной энергией.

Касательно потенциальной энергии в электричестве, то здесь нет нулевого уровня потенциальной энергии. Его выбирают произвольно. Поэтому потенциал является относительной физической величиной.

В механике тела стремятся занять положение с наименьшей потенциальной энергией. В электричестве же под действием сил поля положительно заряженное тело стремится переместится из точки с более высоким потенциалом в точку с более низким потенциалом, а отрицательно заряженное тело — наоборот.

Потенциальная энергия поля — это работа, которую выполняет электростатическая сила при перемещении заряда из данной точки поля в точку с нулевым потенциалом.

Рассмотрим частный случай, когда электростатическое поле создается электрическим зарядом Q. Для исследования потенциала такого поля нет необходимости в него вносить заряд q. Можно высчитать потенциал любой точки такого поля, находящейся на расстоянии r от заряда Q.

Диэлектрическая проницаемость среды имеет известное значение (табличное), характеризует среду, в которой существует поле. Для воздуха она равна единице.

Разность потенциалов

Работа поля по перемещению заряда из одной точки в другую, называется разностью потенциалов

Эту формулу можно представить в ином виде

Эквипотенциальная поверхность (линия) — поверхность равного потенциала. Работа по перемещению заряда вдоль эквипотенциальной поверхности равна нулю.

Напряжение

Разность потенциалов называют еще электрическим напряжением при условии, что сторонние силы не действуют или их действием можно пренебречь.

Напряжение между двумя точками в однородном электрическом поле, расположенными по одной линии напряженности, равно произведению модуля вектора напряженности поля на расстояние между этими точками.

От величины напряжения зависит ток в цепи и энергия заряженной частицы.

Принцип суперпозиции

Потенциал поля, созданного несколькими зарядами, равен алгебраической (с учетом знака потенциала) сумме потенциалов полей каждого поля в отдельности

Как определить знак потенциала

При решении задач возникает много путаницы при определении знака потенциала, разности потенциалов, работы.

На рисунке изображены линии напряженности. В какой точке поля потенциал больше?

Верный ответ — точка 1. Вспомним, что линии напряженности начинаются на положительном заряде, а значит положительный заряд находится слева, следовательно максимальным потенциалом обладает крайняя левая точка.

Если происходит исследование поля, которое создается отрицательным зарядом, то потенциал поля вблизи заряда имеет отрицательное значение, в этом легко убедиться, если в формулу подставить заряд со знаком «минус». Чем дальше от отрицательного заряда, тем потенциал поля больше.

Если происходит перемещение положительного заряда вдоль линий напряженности, то разность потенциалов и работа являются положительными. Если вдоль линий напряженности происходит перемещение отрицательного заряда, то разность потенциалов имеет знак «+», работа имеет знак «-«.

Порассуждайте самостоятельно отрицательные или положительные значения будут принимать работа и разность потенциалов, если заряд перемещать в обратном направлении относительно линий напряженности.

Зависимость напряженности и потенциала от расстояния

Потенциал поля, созданного равномерно заряженной сферой радиусом R и зарядом q на расстоянии r от центра сферы, равен

Напряжение в природе

Напряжение в клетках сетчатки глаза при попадания в них света около 0,01 В. Напряжение в телефонных сетях может достигать 60 В.

Электрический угорь способен создавать напряжение до 650 В.

Энергия взаимодействия зарядов*

Из определения потенциала следует, что потенциальная энергия электростатического взаимодействия двух зарядов q1 и q2, находящихся на расстоянии r друг от друга, численно равна работе, которая совершается при перемещении точечного заряда q2 из бесконечности в данную точку поля, созданного зарядом q1

Аналогично Тогда энергия взаимодействия двух точечных зарядов

Энергия взаимодействия n зарядов

Электрические свойства молекул и межмолекулярные связи

В органических и неорганических веществах молекулы удерживаются друг возле друга благодаря силам межмолекулярного взаимодействия. По своей сути, эти силы являются электрическими и зависят от электронной структуры молекулы.

К электрическим свойствам молекул относят:

• дипольный момент;
• поляризуемость;
• диэлектрическую проницаемость.

Фундаментальными характеристиками электрических свойств молекул выступают дипольный момент и поляризуемость. Их величины показывают, насколько молекулы могут притягиваться друг к другу.

Определение 1

Молекула — это электронейтральная частица, в которой величина положительного заряда перекрывается величиной отрицательного заряда. В отличие от изолированных атомов, молекула обладает энергией поступательного и вращательного движения. Внутренняя энергия молекулы суммируется из энергии движения электронов и энергии колебательных движений ядер атомов.

Существует два типа нейтральных молекул:

1. Заряды в молекуле расположены симметрично. При отсутствии воздействия на молекулу внешнего электрического поля их дипольный момент равен нулю.

   Например: газообразные вещества — водород $H_2$, диоксид углерода $CO_2$, азот $N_2$, метан $CH_4$ и др.

2. Атомы в молекуле расположены ассиметрично. Поэтому данные молекулы обладают определенным дипольным моментом при отсутствии внешнего электрического поля.

Например: газообразные вещества — диоксид серы $SO_2$, сероводород $H_2S$, аммиак $NH_3$; жидкости — вода, эфиры, нитробензол, органические кислоты и др.

Понятие дипольного момента

Дипольный момент ${\mathbf \mu }$ — это векторная величина, характеризующая асимметрическое положение положительных и отрицательных зарядов в нейтральной системе. Он равен произведению расстояния между центрами разноименных зарядов на их величину. Направлен дипольный момент от отрицательного заряда к положительному заряду.

Пример 1

Атом имеет сферическую форму электронного облака. Центры тяжести положительного и отрицательного зарядов в таком атоме находятся в центре сферы и, следовательно, совпадают.

При наложении внешнего электрического поля электронное облако будет смещаться и центры тяжести зарядов раздвигаться друг от друга.

Таким образом, происходит разведение положительного и отрицательного зарядов — атом поляризуется.

В данном случае дипольный момент является индуцированным (наведенным), так как будет существовать только при наличии внешнего электрического поля. При прекращении действия электрического поля, индуцированный дипольный момент исчезает. При этом, наблюдается прямо пропорциональная зависимость между дипольным моментом и напряженностью электрического поля.

Если молекула полярная, она обладает постоянным дипольным моментом. Он характерен для соединений с электроотрицательным заместителем и как следствие, неровным распределением зарядов в молекулах.

Например: в качестве заместителя выступают $-F$, $-Cl$, $-Br$, $-OR$, $-NO_2$, $-CN$, $-COOR$ и др.

Наведенный дипольный момент способен индуцироваться на молекулах с постоянным дипольным моментом, уменьшая или увеличивая последний.

Понятие о поляризуемости

Определение 2

Способность электронов смещаться под действием электронного поля называется поляризуемостью атома или молекулы.

Степень поляризации будет зависеть от напряженности электрического поля: чем выше напряженность поля, тем более сильно смещаются электроны.

Полярность молекулы оценивают значением ее электрического момента диполя.

Если молекула состоит из разных атомов, то при отсутствии электрического поля центры тяжести разноименных зарядов, вероятно, совпадать не будут.

Некоторые молекулы обладают постоянным дипольным моментом независимо от наличия внешнего электрического поля.

Пример 2

В молекуле хлороводорода $HCl$ атомы водорода и хлора связаны друг с другом гомеополярной связью.

Электроотрицательность хлора значительно превышает электроотрицательность водорода, поэтому вблизи атома хлора плотность электронного облака будет значительно увеличена.

Центр тяжести отрицательных зарядов смещается в сторону хлора, положительных — в сторону водорода. Следовательно, молекула хлороводорода $HCl$ обладает постоянным дипольным моментом.

Постоянный дипольный момент отсутствует в симметричных молекулах, так как у них центры тяжести совпадают (азот $N_2$, водород $H_2$, кислород $O_2$, хлор $Cl_2$ и др.).

В зависимости от наличия дипольного момента различают: полярные вещества, имеющие постоянный дипольный момент (вода, амммиак, ацетон и др.) и, не имеющие постоянного дипольного момента, неполярные вещества.

Поляризуемость, возникающая под действием внешнего электрического поля может быть и у полярных и у неполярных веществ. В результате поляризуемости в молекуле происходит перераспределение зарядов и изменяется величина дипольного момента.

Под действием внешнего электрического поля неполярная молекула может стать полярной, а полярная стать еще более полярной.

Молекулы полярных веществ под действием электрического поля стремятся развернуться таким образом, чтобы занять положение с наименьшей энергией. Это можно достигнуть, если дипольный момент будет направлен вдоль напряженности поля.

Величина поляризации определяется соотношением между воздействием электрического поля, которое упорядочивает расположение молекул в пространстве и воздействием теплового движения.

Поляризуемость определяется как индуцированный дипольный момент в поле с единичной напряженностью, при условии, что молекула помещена в однородное электрическое поле.

Наличие дипольного момента у молекул является следствием:

• разных электрических свойств, составляющих молекулу атомов;
• ассиметричного расположения атомов в молекуле.

Межмолекулярное взаимодействие обусловлено полярностью и поляризуемостью молекул.

Понятие диэлектрической проницаемости

Диэлектрическая проницаемость $\varepsilon$ — величина, равная отношению сил взаимодействия между зарядами в вакууме $F_0$ к силам взаимодействия зарядов в веществе $F$:

Диэлектрическая проницаемость характеризует вещества (нейтронные, газообразные, жидкие, твердые), частицы которых обладают электрическим зарядом. Она может описывать как внутренние характеристики среды, так и внешнее воздействие зарядов и электрических токов.

Диэлектрическая проницаемость связана с электрической индукцией $D$ и напряженностью электрического поля в среде $E:$

Диэлектрическая проницаемость зависит от:

• структуры вещества;
• температуры;
• частоты электрического поля;
• напряженности поля.

Электрический ток в газах. Ионизация газов

Поток электричества, то есть электрический ток, может существовать не только в металлах, электролитах и расплавах, он может быть также и в газах.

Что из себя представляет газ? Это одно из фазовых состояний вещества, когда молекулы газа свободны и хаотичны в своём движении, когда объем вещества можно сжать, когда вещество подвижно и т.д.

Газ состоит из молекул, а молекулы в свою очередь обычно состоят из атомов. В итоге каждая такая молекула газа представляет из себя электрический диполь.

Вот такое собрание электрических диполей в виде молекул газа не обязано в своём составе иметь ни свободные электроны, ни свободные ионы, однако всё-таки некоторое их незначительное количество имеется. Газ является в своём обычном состоянии диэлектриком, то есть он представляет из себя изолятор, изолирует лучше чем проводит ток.

Мы с вами дышим атмосферным воздухом, который представляет из себя смесь газов, большая часть которого молекулы азота N2 (78,09 % объёма). Водяной пар, как впрочем и любой другой также являются газами. Газы нас окружают повсюду. Каждое вещество при определённом давлении и температуре находится в устойчивой газовой фазе.

В технических устройствах и приборах специально создаются условия отличные от нормальных, для существования вещества в газовой фазе. Нормальные условия — это обычное атмосферное давление и температура от 0° до 20°C, в зависимости от технической сферы применения.

В люминесцентных лампах находится газ, но его условия отличаются от нормальных, там разряженный газ, так как давление ниже атмосферного. Баллон с пропаном или кислородом содержит в себе «газ», но он сжиженный, в сжатом виде, давление там выше одной атмосферы, оно может быть 16-200 атмосфер.

Всё, что выше одной атмосферы — это сжиженный газ, а всё что ниже — разряженный газ. Это искусственно создаваемые условия техническими средствами.

В зависимости от температуры, давления в объёме газа и от свойств вещества газа — он будет иметь различные свойства по проводимости электричества, а также по условиям ионизации.

Газ в электрическом поле

Точно также как и любой диэлектрик, газ реагирует на электрическое поле.

Молекулы газа, находясь в свободном движении, со скоростями большими чем у ионов в растворах и расплавах, можно сказать, что они более независимы, чем когда были в состоянии жидкости.

Наличие электрического поля приводит к дипольной ориентации молекул газа (отдельных диполей). Они начинают поворачиваться так, чтобы скомпенсировать действие поля. Происходит это не сразу.

Потенциальная энергия поля будет преобразовываться в кинетическую энергию молекул газа. При достаточной напряжённости электрического поля будет происходить ионизация молекул газа. Электрический диполь в виде молекулы разорвётся на атомы и одному из них будет недоставать электрона.

Образуется положительный ион — катион, который устремится к катоду источника поля. Вполне возможно, что на своём пути он захватит свободный электрон, но если таких разорванных диполей станет много, то и процесс разрыва молекул на атомы станет лавинообразным.

В итоге проводимость газа значительно улучшится и через газ будет проходить больше электричества, сила тока будет стремительно возрастать. Графически этот процесс хорошо иллюстрируется вольт-амперной характеристикой (ВАХ).

В конечном итоге в газе происходит разряд, который бывает разных видов, но об этом сказано ниже.

Ионизация газов

Прежде всего нас интересует ионизация газов под действием электрического поля, но при этом не стоит забывать о том, что в газах возможна термическая ионизация под действием высокой температуры (теплового излучения).

Немного о процессе ионизации сказано выше. Каждый газ имеет своё пороговое значение напряжённости электрического поля, при котором происходит ионизация.

Дело в том, что для того, чтобы разорвать диполь, необходимо вырвать электрическим полем хотя бы один электрон.

Тогда диполь становится неустойчивым и распадается на атомы, а так как им недостаёт электронов, то соответственно получаются катионы (+q).

Положительные ионы начинают двигаться под действием кулоновских сил в сторону катода, а освободившиеся электроны в сторону анода. Образуется электрический поток, то есть ток.

Так как энергия катионов в газе и вырванных уже свободных электронов высокая, происходят взаимные столкновения вновь образованных свободных носителей зарядов (катионы и электроны) со связанными в диполи атомами молекул газа.

Это в свою очередь вызывает дальнейшую ещё большую ионизацию, новая партия опять атакует оставшиеся диполи, что приводит к появлению ещё большей партии свободных зарядов обоих типов.

Этот процесс растёт в геометрически и называется геометрической прогрессией, также именуют его лавинообразным и цепной реакцией.

Имеется ли предел такой лавине? Прежде всего он ограничен количеством участвующего газа, который может находится в некотором закрытом объёме пространства (запаянная колба).

Следующее препятствие — это мощность источника электрического поля. Кроме мощности лавинообразная ионизация может быть ограничена разностью потенциалов источника тока.

Если обычный газ, не подвергнутый ионизации, имеет лишь незначительное количество свободных носителей зарядов, а источник электрического тока имеет недостаточный потенциал для лавинообразной ионизации, тогда газ ведёт себя как обычный диэлектрик и проявляет изолирующие свойства больше, чем проводящие. Электрический ток в газе в этом случае имеется, но он незначительный.

Когда обычный газ подвергается ионизации любым из способов, то его проводящие свойства значительно улучшаются. В газе происходит разряд. Вполне возможно создать такие условия, что этот разряд будет существовать стабильно, а значит мы получим некоторый устойчивый ток в газе.

Газовые разряды

В зависимости от условий, в которых находится газ, а также от характеристик источника тока, в газу могут происходит разряды разных типов, каждый из которых имеет свои особенности.

Дуговой разряд: представляет собой электрический пробой газа, которой в дальнейшем становится постоянным плазменным разрядом — дугой, образуется электрическая дуга. Дуговой разряд характеризуется более низким напряжением, чем тлеющий разряд. Поддерживается в основном за счёт термоэлектронной эмиссии, когда из электродов высвобождаются электроны.

Старое название такой дуги «вольтова дуга». Отличительной особенностью такой дуги является высокая плотность тока и низкое напряжение, которое ограничено источником тока. Для того, чтобы создать такую дугу, электроды сближаются, происходит пробой, а затем они раздвигаются. Дуговой разряд используется в сварке, в плазменной резке, в электроэрозионной обработке.

Тлеющий разряд: представляет собой ток в ионизированном газе, а точнее сказать в низкотемпературной плазме. Тлеющий разряд образуется при прохождении тока через разряженный газ. Как только напряжение превосходит определённое значение, газ в колбе ионизирует и происходит свечение. Это уже по сути электрический ток не столько в газе, сколько в плазме.

Цвет свечения газа (плазмы) зависит от вещества газа. Каждый газ излучает свой спектр видимого света. На этом основано использование яркой неоновой рекламы. Достаточно несколько сотен вольт напряжения источника, чтобы ионизировать газ и вызвать в нем тлеющий разряд. В аналитической химии, свойство газа излучать свой определённый спектр света используется для определения неизвестного состава газа.

Это метод спектроскопии.

Искровой разряд: происходит при обычных условиях, при обычном атмосферном давлении, точно также как и тлеющий разряд происходит в следствие ионизации газа, но при высоком напряжении, в отличии от дугового разряда, где в первую очередь важна высокая плотность тока. Искровой разряд сопровождается характерным треском.

Поджиг искрового разряда происходит как результат пробоя диэлектрика — газа. Например, такой разряд используется в свечах зажигания двигателей внутреннего сгорания.

Для электрического пробоя в сухом воздухе необходима разность потенциалов из расчёта 3 кВ (3000 Вольт) на 1 мм воздушного зазора, соответственно для пробоя промежутка в 50 мм потребуется напряжение источника в 150 кВ.

Коронный разряд: происходит в сильном электрическом поле с высокой напряжённостью, достаточной, чтобы вызвать ионизацию газа (или жидкости). Электрическое поле при этом бывает не однородным, где-то напряжённость значительно больше.

Образуется градиент (различие) потенциалов поля и там где потенциал больше, ионизация газа идёт сильнее, интенсивнее, затем поток ионов доходит до другой части поля, тем самым образуя поток электричества.

В результате образуется коронный газовый разряд причудливых форм, в зависимости от геометрии проводников — источников напряжённости поля.

Коронный разряд можно увидеть вблизи изоляторов высоковольтных линий, также он применяется в быту и промышленности, например в ксерокопировании, воздушные ионизаторы, в системах кондиционирования воздуха, производство озона.

Электрический ток в газах используется в настоящее время очень широко.

Практически в каждом доме есть люминесцентные лампы, в которых происходит тлеющий разряд, на производствах, в гаражах, используется электрическая сварка с помощью дугового разряда, двигатели автомобилей работают благодаря искровому разряду, некоторые применяют ионизаторы и имеют лазерные принтеры, где используется коронный разряд.

Дата: 16.05.2015