Диэлектриками считают вещества, которые не проводят электрический ток. К ним относят многие чистые жидкости, например масла, бензины и дистиллированную воду, а также керамику, стекло, сухую древесину, кристаллы солей и газы под воздействием несильных внешних полей. Четкой границы между проводниками и диэлектриками нет, поскольку все вещества в той или иной мере проводят электрический ток. Однако, если проводимость выражена слабо, ею можно пренебречь и считать вещество идеальным изолятором.
Под действием электрического поля заряды в диэлектриках могут смещаться только на незначительное расстояние, величина этого смещения не превышает размеры молекул и атомов. Данные смещения приводят в появлению индуцированных зарядов, в отличие от проводников, такие заряды могут возникать как на поверхности, так и внутри диэлектрика.
Механизм поляризации неполярных диэлектриков
К неполярным диэлектрикам относят вещества, которые состоят из атомов и молекул без собственного дипольного момента в отсутствии поля. Это газы с симметричными двухатомными молекулами — водород, кислород и азот, пластмассы, органические жидкости и бензины. В них центры положительных зарядов ядер совпадают с отрицательным зарядами электронных облаков.
Механизм поляризации неполярных диэлектриков называют индукционным. Под действием внешнего поля центры зарядов смещаются незначительно, при этом каждый атом приобретает индуцированный дипольный момент. Его направление совпадает с направлением поля, а величина зависит от его напряженности.
Поскольку каждая молекула приобрела дипольный момент, то весь диэлектрик также его приобрел. В отличие от проводников, в которых воздействие поля характеризуется величиной индуцированных зарядов, важным параметром диэлектриков является дипольный момент единицы объема — вектор поляризации.
Механизм поляризации полярных диэлектриков
Молекулы некоторых веществ обладают собственным дипольным моментом в отсутствии внешнего электрического поля, такие диэлектрики называют полярными. Электронные плотности в молекулах полярных диэлектриков смещены к одному из атомов, механизм поляризации здесь иной. В отсутствии внешнего поля дипольные моменты молекул ориентированы хаотически, а их суммарный момент равен нулю.
Внешнее электрическое поле воздействует на вращающий момент каждой молекулы, в результате чего они начинают ориентироваться так, что их дипольный момент выстраивается вдоль вектора напряженности внешнего поля. Данный механизм поляризации называют ориентационным. При этом диэлектрик приобретает индуцированный дипольный момент.
Щелкните по ссылке » Диэлектрики в электростатическом поле «, чтобы ознакомиться с презентацией раздела в формате PowerPoint. Для возврата к данной странице закройте окно программы PowerPoint.
Все известные в природе вещества, в соответствии с их способностью проводить электрический ток, делятся на три основных класса: диэлектрики, полупроводники и проводники. Если удельное сопротивление у проводников равно , то у диэлектриков, а полупроводники занимают промежуточную область
В идеальном диэлектрике свободных зарядов, то есть способных перемещаться на значительные расстояния (превосходящие расстояния между атомами), нет. Но это не значит, что диэлектрик, помещенный в электростатическое поле, не реагирует на него, что в нем ничего не происходит.
Любое вещество состоит из атомов, образованных положительными ядрами и отрицательными электронами. Поэтому в диэлектриках происходит поляризация.
Смещение электрических зарядов вещества под действием электрического поля называется поляризацией.Способность к поляризации является основным свойством диэлектриков.
Видов поляризации много.
Поляризуемость диэлектрика включает составляющие – электронную, ионную и ориентационную (дипольную). Рис. 4.1 иллюстрирует механизм этих видов поляризуемости.
Электронная поляризуемость обусловлена смещением электронной оболочки атома относительно ядра. Ионная поляризуемость вызвана смещением заряженных ионов по отношению к другим ионам. Ориентационная (дипольная) поляризуемость возникает, когда вещество состоит из молекул, обладающих постоянными электрическими дипольными моментами, которые могут более или менее свободно изменять свою ориентацию во внешнем электрическом поле.
Есть и другие виды поляризации. Главное в поляризации – смещение зарядов в электростатическом поле. В результате, каждая молекула или атом образует электрический момент p (рис. 4.2):
Ясно, что электрический момент p пропорционален напряженности Е – напряженности электростатического поля в месте нахождения молекулы, то есть внутри вещества.
К чему приводит поляризация? Рассмотрим рис. 4.3.
Внутри диэлектрика электрические заряды диполей компенсируют друг друга. Но на внешних поверхностях диэлектрика, прилегающих к электродам, появляются заряды противоположного знака (поверхностно связанные заряды).
Обозначим – электростатическое поле связанных зарядов. Оно направлено всегда против внешнего поля . Следовательно, результирующее электростатическое поле внутри диэлектрика
Итак, электростатическое поле внутри диэлектрика всегда меньше внешнего поля. Во сколько раз?
Рассмотрим некоторые количественные соотношения.
Поместим диэлектрик в виде параллелепипеда в электростатическое поле (рис. 4.4).
Электрический момент тела, можно найти по формуле:
где – поверхностная плотность связанных зарядов.
Введем новое понятие – вектор поляризации– электрический момент единичного объема.
где n – концентрация молекул в единице объема, – электрический момент одной молекулы.
С учетом этого обстоятельства,
(т.к. – объем параллелепипеда).
Приравняем (4.1.3.) и (4.1.5) и учтем, что – проекция на направление – вектора нормали, тогда
Поверхностная плотностьполяризационных зарядов равна нормальной составляющей вектора поляризации в данной точке поверхности.
Отсюда следует, что индуцированное в диэлектрике электростатическое поле E’ будет влиять только на нормальную составляющую вектора напряженности электростатического поля.
Следовательно, и у результирующего поля изменяется, по сравнению с ,только нормальная составляющая. Тангенциальная составляющая поля остается без изменения.
В векторной форме результирующее поле можно представить так:
Результирующая электростатического поля в диэлектрике равно внешнему полю, деленному на диэлектрическую проницаемость среды ε:
Величина характеризует электрические свойства диэлектрика. Физический смысл диэлектрической проницаемости среды ε – величина, показывающая во сколько раз электростатическое поле внутри диэлектрика меньше, чем в вакууме:
С учетом этого обстоятельства, при наличии диэлектрической среды мы должны поправить все полученные нами в прошлых разделах формулы: например, теорема Гаусса:
или закон Кулона:
График зависимости напряженности поля шара от радиуса, с учетом диэлектрической проницаемости двух сред ( и ), показан на рисунке 4.5.
Как видно из рисунка, напряженность поля изменяется скачком
Если конденсатор помещается в сильное электрическое поле, диэлектрический материал, из которого он изготовлен, интенсивно поляризуется. Данное явление заключается в том, что отрицательные заряды располагаются по направлению положительных, а последние сдвигаются в направлении негативно заряженных. Такой физический эффект приобрёл название «поляризация диэлектриков». Возможностью свободного перемещения заряженные частицы, однако, не обладают, что сохраняет запас энергии, который накапливается конденсатором.
С улучшением условий для протекания поляризационных процессов, число заряженных частиц, которые находятся на обкладках конденсатора, возрастает. Подобное качество постепенного накопления энергии получило название диэлектрической проницаемости K или относительной диэлектрической проницаемости вещества εr.
Что такое поляризация
Явление возникает тогда, когда в изоляционном материале из-за наличия внешнего электрического поля образуется дипольный момент. Когда ток взаимодействует с диэлектрическим (изолирующим) материалом, последний реагирует сдвигом в распределении заряженных частиц, при этом позитивно заряженные частицы выстраиваются в направлении существующего поля, а негативно заряженные – в обратном направлении. Схема размещения зарядов не зависит от конструкции конденсатора.
Поляризация диэлектриков является термином, который применяется для описания поведения материала с подобными свойствами, располагающегося во внешнем поле. Существующие частицы взаимодействуют с электрическим полем, имеющемся на пластинах конденсатора, в результате чего образуются электрически связанные частицы. Они формируются вследствие контакта конденсаторных пластин конденсатора, а свободные заряды в это же время получают возможность свободного передвижения. Используя модель конденсатора, представляется возможным определить значение диэлектрической проницаемости. Для этого вычисляют показатель относительной проницаемости, используя значение ёмкости так называемого эталонного конденсатора. Эта ёмкость обычно соотносится с показателем диэлектрической проницаемости вакуума.
Интенсивность поляризационных процессов Р, протекающих в любом диэлектрике, является отношением суммарного дипольного момента к единице объёма конденсатора:
Итоговая интенсивность поляризационных процессов, которые протекают в диэлектриках, представляет собой векторную сумму нескольких источников: смещения электронов Pэ, смещения ионов Pи, переориентации диполей Pд, и смещения заряда в пространстве Pп:
Поэтому важно знать, в какой мере виды поляризации диэлектриков влияют на их значение в действующих электрических полях разной мощности.
Типы поляризации диэлектриков
Для каждой разновидности поляризационных процессов характерны собственные характеристики времени, которые зависят от показателя частоты имеющегося электрического поля. Быстрее всего реализуется механизм электронного смещения, что чаще всего и случается в высокочастотных полях. Ионная и, тем более, дипольная поляризация возникают при меньшей частотности, поэтому диэлектрическая проницаемость не относится к числу электрофизических констант. Однако при возрастании частоты показатель диэлектрической проницаемости, как правило, снижается, а механизмы её действия теряют первоначальную интенсивность.
Влияние частоты обуславливается сдвигом по фазе на 90 градусов параметров напряжения и тока на идеальном конденсаторе в цепях переменного тока. Фактические материалы-диэлектрики, которые имеются в распоряжении инженеров, характеризуются различного рода дефектами, наличие которые обуславливает дополнительные диэлектрические потери. В частности, значение угла запаздывания, который определяет расхождение между реальным и идеальным токами в конденсаторе получило название тангенса потерь (tg δ) или коэффициента рассеяния. С ростом характеристик диэлектрических констант фактические значения тангенса потерь обычно увеличиваются.
Частота, на которой используется диэлектрик, определяет влияние механизмов поляризации, отображаемое его материалом. При постоянном мониторинге за сменой показателей электрического поля в переменном контуре возможны три варианта:
Таким образом эффективность диэлектрика минимальна тогда, когда фактический период релаксации не зависит от характеристик поля. Эти свойством обладают, в частности, диэлектрические композиции из керамических материалов, которые практически всегда являются поликристаллами. В электростатических системах повышенной и высокой частоты такой показатель называют Q-фактором; он считается величиной, которая обратна показателю тангенса потерь.
Электронная
Возникает одновременно при активном воздействии электрического поля. В этом случае ядро атома вместе с его электронным облаком движутся во взаимно противоположных направлениях. В результате они удаляются друг от друга, а образующийся диполь обладает крайне малыми размерами. Соответственно эффект поляризации, если и возникает, то имеет весьма незначительные объём и влияние.
Рассматриваемый вид поляризации характеризуется небольшим относительным сдвигом позитивного и негативного заряда, которые перемещаются во взаимно обратных направлениях. Электронная поляризация активна, если имеющееся электрическое поле деформирует область негативно заряженных электронов, которые расположены у позитивно заряженных ядер. Существуют материалы, молекулы которых находятся в состоянии перманентной поляризации. Причина этого явления – наличие сильных и постоянных химических связей. Например, в воде электронный тип поляризации обусловлен молекулами, которые непрерывно вращаются под влиянием сильного электрического поля. В данном случае явление поляризации диэлектриков вызывает э дипольный момент, равный промежутку между центрами смещения негативных и позитивных зарядов, умноженному на их количество. Значение показателя электронной поляризации Р может быть вычислено как величина дипольного момента p, которая отнесена к единице объёма V поляризованного материала
Ионная
В некоторых твёрдых веществах-диэлектриках, например, в керамике, ионы в кристаллической решетке размещаются симметрично, естественно, что в таком случае поляризация отсутствует. Но, если ввести в такое электрическое поле некоторое количество положительно и отрицательно заряженных частиц, то их притягивание будет осуществляться в разных направлениях. Этим вызывается ионная поляризация, вызывающая изменения диэлектрических констант.
Всегда имеется некоторое расстояние между смежными ядрами в молекуле твёрдого тела-диэлектрика, поэтому в молекуле всегда наличествует дипольный момент, который не зависит от характеристик внешнего электрического поля. внешнего электрического поля. Как известно, молекулы поваренной соли имеют только два иона, поэтому в каждой молекуле появляется свой дипольный момент, направление которого – от негативно до позитивно заряженного иона.
Дипольная
Существует много ионных соединений, у которых более двух атомов. В этих случаях количество ионных связей, и, следовательно, моментов, также увеличивается. Результирующий параметр (который заключается в разделении позитивно и негативно заряженных частиц в структуре отдельной молекулы) будет являться векторной суммой отдельных дипольных моментов.
В том случае, когда молекула имеет центр симметрии, равнодействующий дипольный момент молекулы равен нулю. Чистый дипольный момент молекулы присутствует только в асимметричных молекулярных структурах. Эту величину называют постоянным дипольным моментом, поскольку он присутствует там даже тогда, когда внешнее поле отсутствует.
Некоторые твёрдые тела обладают постоянными молекулярными диполями. Они вращаются, создавая при этом средний дипольный момент, который направлен в направлении приложенного поля. Дипольная ориентация часто встречается в полимерных материалах, атомная структура которых допускает подобную переориентацию.
Самопроизвольная
Выше характерной температуры, называемой температурой точки Кюри, явление сегнетоэлектричества исчезает, потому что тепло интенсивно встряхивает диполи и тем самым преодолевает силы, самопроизвольно выравнивающие их.
Механизмы поляризации диэлектриков, кроме описанных, реализуются и в форме межфазной поляризации. В керамических материалах это явление возникает из-за посторонних зарядов, которые возникают из-за загрязнений или неправильной геометрии на границах раздела поликристаллических твердых тел. Эти заряды частично подвижны, поэтому перемещаются под действием приложенного поля.
, то у диэлектриков 
, а полупроводники занимают промежуточную область 
– электростатическое поле связанных зарядов. Оно направлено всегда против внешнего поля 
. Следовательно, результирующее электростатическое поле внутри диэлектрика
(рис. 4.4).
можно найти по формуле:
– поверхностная плотность связанных зарядов.
– электрический момент единичного объема.
– электрический момент одной молекулы.
– объем параллелепипеда).
– проекция 
на направление 
– вектора нормали, тогда
.
– диэлектрическая восприимчивость – макроскопическая безразмерная величина, характеризующая поляризацию единицы объема.
характеризует электрические свойства диэлектрика. Физический смысл диэлектрической проницаемости среды ε – величина, показывающая во сколько раз электростатическое поле внутри диэлектрика меньше, чем в вакууме:
или закон Кулона: 
и 
), показан на рисунке 4.5.
