15. Виды диэлектриков и диэлектрическая проницаемость различных веществ.

Диэлектрики — вещества, плохо проводящие электрические ток, так их удельное сопротивление находится в пределах 10⁴ — 10¹⁸ Ом∙м. В тоже время у металлов удельное сопротивление находится в пределах 10^-8‒10^-6 Ом∙м. В диэлектриках постоянное электрическое поле приводит к перераспределению электрических зарядов и появлению (или изменению) электрического дипольного момента в любом объеме вещества, т. е. его поляризации. Различие в электропроводности диэлектриков и металлов объясняется тем, что в металлах есть свободные электроны, а в диэлектриках все электроны связаны, т. е. принадлежат отдельным атомам, и электрическое поле не отрывает, а лишь слегка смещает их — поляризует диэлектрики. Согласно зонной теории твердого тела, в кристаллических диэлектриках при температуре абсолютного нуля (Т=0К) все нижние разрешенные энергетические зоны полностью заполнены электронами, а все вышележащие пусты (в металлах верхняя из разрешенных зон, содержащих электроны, заполнена в лишь частично). Полупроводники отличаются от диэлектриков лишь шириной запрещенной зоны Ε g, которая у них составляет 0,2 ч 3эВ, а у диэлектриков Ε g > 3 эВ. Класс диэлектриков охватывает большое количество веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Твердыми диэлектриками являются многие кристаллы и аморфные вещества (стекла, смолы). Все газы состоят в основном из нейтральных атомов и молекул и поэтому в обычных условиях не проводят электрический ток, т. е. являются диэлектриками. С повышением температуры атомы и молекулы ионизируются и газ превращается в плазму. В рамках теории, рассматривающей диэлектрики как сплошную среду, для описания их электрического состояния используется понятие плотности электрического заряда ρ(r) (r —пространственная координата точки), усредненного по малому объему, содержащему достаточно большое число атомов. Под действием внешнего электрического поля в диэлектриках возникает плотность заряда ρ(r) и в результате —дополнительное к внешнему электрическое поле. Для описания электрического состояния диэлектрика наряду с ρ(r) удобно вводить вектор поляризации (электрический дипольный момент единицы объема диэлектрика) Ρ, связанный с ρ(r) соотношением: Ρ = ‒ div ρ(r).Распределение плотности заряда ρ(r) и электрического поля E в диэлектрике можно найти, решая систему уравнений Максвелла для статического поля: div E = ‒ 4π∙ ρ и rot E=0, дополненную зависимостью Ρ(E), которая характеризует электрические свойства диэлектрика. Ρ(E) различна для разных веществ и даже для разных образцов одного вещества, т. к. зависит от однородности, степени чистоты материала, содержания дефектов в нем и т.д. Для большинства диэлектриков в широком интервале полей Е справедлива линейная зависимость Ρ от Е, выражаемая для изотропных веществ и кубических кристаллов соотношением Ρ = ε0∙ϰ∙E, где ε0 = 8,85∙10-12 Ф/м. Коэффициент пропорциональности ϰ называется диэлектрической восприимчивостью диэлектрика. Вместо вектора Ρ часто пользуются вектором D, называемого электрической индукцией: D = ε0∙E + Ρ = (1+ ϰ)∙ ε0∙E = ε∙ ε0∙E, где ε = (1+ ϰ) ‒ диэлектрическая проницаемость. В вакууме ε = 1 и для любого диэлектрика ε >1.