Энергии заряженного конденсатора

Процесс зарядки конденсатора можно представить как последовательное перемещение малых порций dQ заряда с одной пластины (обкладки) на другую. Если первоначально пластины нейтральны, то перенос, например, положительного заряда с первой пластины на вторую приведет к возникновению отрицательного заряда на первой пластине. Следовательно, в результате таких переносов первая пластина будет заряжаться отрицательно, а вторая – положительно. Между пластинами возникнет постепенно возрастающая разность потенциалов ₁–₂=U. Вывод формулы для энергии заряженного конденсатора аналогичен приведенному выше выводу формулы. Отличие состоит в замене потенциала  на разность потенциалов U

. (7)

Таким образом, формула для энергии заряженного конденсатора имеет следующий вид

. (8)

Поляризация диэлектриков

Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул, возникающая в любом диэлектрике при воздействии электрического поля.

Выделяют два определения поляризации:

1. Свойство световых и электромагнитных колебаний размещаться в одной определенной плоскости. Плоскость поляризации падающего луча.

2. Отложение на электродах различных веществ, ослабляющих силу тока. Поляризация электродов.

В зависимости от механизма или порядка смещения электрических зарядов различают следующие виды поляризации:

1. Электронная поляризация;

2. Ионная поляризация;

3. Упруго-дипольная поляризация;

4. Ионно-релаксационная поляризация;

5. Дипольно-релаксационная поляризация;

6. Миграционная (межслоевая) поляризация;

7. Электронно-релаксационная поляризация;

8. Поляризация ядерного смещения;

9. Остаточная (электретная) поляризация;

10. Спонтанная (сегнетоэлектрическая) поляризация;

11. Пьезоэлектрическая поляризация.

Значение емкости конденсатора с диэлектриком и накопленный в нем электрический заряд обусловлены несколькими механизмами поляризации, которые различны у разных диэлектриков и могут иметь место одновременно у одного и того же материала.

На рисунке 1 представлена эквивалентная схема диэлектрика, в котором существуют различные механизмы поляризации, можно представить в виде ряда подключенных параллельно к источнику напряжения конденсаторов.

В зависимости от характера химической связи различают следующие 3 основные механизмы поляризации диэлектриков: электронную, ионную и дипольную (ориентационную).

Электронная поляризация присуща всем диэлектрикам и превалирует в кристаллах с ковалентной связью. Под действием внешнего электрического поля P происходит смещение электронов атома относительно его ядра (деформация его электронной оболочки) и возникают индуцированные диполи. Диэлектрические свойства индуцированных диполей относятся к числу резонансных явлений.

Электронный механизм поляризации является наименее инерционным, т.к. масса электрона значительно меньше массы частиц, участвующих в процессе поляризации. Время установления электронной поляризации составляет ≈ 10-15 с, что сравнимо с периодом световых колебаний.

Классификация диэлектриков по виду поляризации:

1. Линейные диэлектрики;

2. Нелинейные диэлектрики;

3. Неполярные диэлектрики;

4. Полярные диэлектрики;

5. Ионные диэлектрики.

Линейные диэлектрики относят к пассивным диэлектрикам, применяемым в основном в качестве различных видов электрической изоляции или диэлектрика конденсаторов.

Нелинейные диэлектрики относят к активным диэлектрикам, параметры которых зависят от величины приложенной разности потенциалов. Емкостью конденсатора с нелинейным диэлектриком можно управлять электрическим полем.

Неполярные диэлектрики (нейтральные) — состоят из неполярных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают. Примером практически неполярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных, являются углеводородные материалы, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др. В неполярных однородных диэлектриках наблюдается только электронная поляризация. Если материал является неоднородным, то кроме электронной поляризации в диэлектрике также наблюдается миграционная поляризация.

Полярные диэлектрики (дипольные) — состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают. К полярным диэлектрикам относятся фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др. В полярных однородных диэлектриках наблюдается электронная и дипольно-релаксационная поляризации. Если материал является неоднородным, то в нем также наблюдается миграционная поляризация.

Ионные соединения представляют собой твердые неорганические диэлектрики с ионным типом химической связи. Для этой группы соединений характерны кроме электронной, ионная и электронно-релаксационная поляризации. Принято выделять группу диэлектриков с быстрыми видами поляризаций ­ электронной и ионной, и с замедленными видами поляризаций релаксационного типа, накладывающихся на электронную и ионную поляризации. К первой группе, в которой наблюдаются только быстрые виды поляризаций, относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов. К ним относятся каменная соль, кварц, слюда, корунд и др. Ко второй группе, в которой кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой ионов в решетке имеют также и ионно-релаксационную поляризацию, относятся неорганические стекла, электротехнический фарфор, ситаллы, микалекс и др. [4].