Поляризация диэлектриков и ее виды. Поле в диэлектрике Диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая восприимчивость.

Основные виды поляризации диэлектриков

Вид поляризации в первую очередь зависит от того, какие частицы диэлектрика и на какие расстояния, смещаясь, вызывают поляризацию. Все частицы диэлектрика, вызывающие поляризацию, можно объединить в 2 группы: упруго (сильно) связанные и слабо связанные.

Упруго связанные частицы (заряды), их обычно называют связанные заряды, имеют одно положение равновесия, около которого они совершают тепловые колебания, и под действием приложенного поля они смещаются на небольшие расстояния: электроны смещаются в пределах атома (иона), атомы – в пределах молекулы, ионы – в пределах элементарной ячей ки и т.д.

Слабо связанные частицы (например, ионы в неплотно упакованной кристаллической решетке, в аморфном теле или на дефектах, а также диполи) имеют несколько положений равновесия, в которых они в отсутствии электрического поля могут находиться равновероятно. Переход слабосвязанных частиц из одного равновесного положения в другое осуществляется под действием флуктуаций теплового движения.

В соответствии с изложенной картиной все виды поляризации подразделяют на:

• упругие (деформационные) - поляризация под воздействием электрического поляпрактическимгновенная, вполне упругая,без рассеяния энергии, т.е. без выделения теплоты;

1. электронная;

2. ионная;

• релаксационные - поляризация,совершаемая не мгновенно, а нарастающая или убывающая замедленно исопровождаемая рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. егонагреванием.

Электронная поляризация (ЭП)представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов относительно ядра и имеет место во всех диэлектриках.

Время установления ничтожно мало (около 10^-15 с). Диэлектрическая проницаемость вещества с чисто электронной поляризацией численно равна показателю преломления светаn. Смещение и деформация электронных орбит атомов и ионов не зависит от температуры, однакоЭПвеществауменьшается с повышением температурыв связи степловым расширением диэлектрикаи уменьшением числа частиц в единицу объема.

Ионная поляризация (ИП)наблюдается в кристаллических и аморфных телах ионного строения (в кварце, слюде, асбесте, стекле и т.п.) изаключается в смещенииупруго связанных ионов под действием приложенного поля на расстояния, меньшие постоянной решетки, т.е. в упругой деформации решетки. В этом виде поляризации принимают участия также слабо связанные и свободные ионы. Сповышением температурыонаусиливаетсяв результатеослабления упругих сил,действующих между ионами, из-заувеличения расстояния между нимипри тепловом расширении. Время установления около 10^-13 с.

Релаксационными видами поляризации являются: ионно-релаксационная, дипольно-релаксационная, миграционная, электронно-релаксационная, самопроизвольная (спонтанная) и резонансная. Они протекают замедленно, обуславливая тем самым диэлектрические потери.

Ионно-релаксационная поляризацияимеет место в диэлектриках ионного строения аморфных (неорганические стекла и кристаллических с неплотной упаковкой ионов (в электротехнической керамике, асбесте, мраморе и т.п.).Этот вид поляризации заключается в некотором упорядочении ,вносимом электрическим полем в хаотический тепловой переброс слабо связанных ионов. Слабо связанными ионами являются собственные ионы диэлектрика, находящиеся в узлах решетки вблизи вакансии. На рисунке схематически изображена ионно-релаксационная поляризация на примере CsCl, имеющего неплотно упакованную решетку ионами.

В отсутствии электрического поля слабо связанные ионы, совершая тепловые колебания, временами перескакивают из одного равновесного положения в другое. При этом число ионов, переместившихся в одном направлении, будет равно числу ионов, переместившихся в обратном направлении.Если к диэлектрику приложить электрическое поле, то переброс слабо связанных ионов из узлов решетки (сетки) в вакансии приобретет направленный характер: положительные ионы начнут перемещаться по полю, а отрицательные – против поля. Ионы, перемещаясь на расстояния, превышающие постоянную решетки, не становятся свободными и, следовательно, не обуславливают электропроводность. Закрепляясь на некотором расстоянии друг от друга, они образуют в диэлектрике положительный и отрицательный пространственные заряды, которые и обуславливают ионно-релаксационную поляризацию. После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия.

Дипольно – релаксационная поляризация (дипольная). Наблюдается только в полярных диэлектриках, т.е. в таких диэлектриках, молекулы которых имеют постоянных дипольный момент . Например, в полихлордфенил, канифоль, ПВХ и др. ДРП заключается в том, что дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причиной поляризации.

Этот вид поляризации зависит от температуры и частоты приложенного напряжения. С повышением температуры в результате ослабления межмолекулярных связей увеличивается ориентация диполей в направлении электрического поля, поэтому дипольно-релаксационная поляризуемость  возрастает (участок 1-2).

Однако с повышением температуры возрастает и интенсивность хаотического теплового движения диполей, и выше некоторой температуры Т_Мдезориентирующее действие теплового движения начинает преобладать над ориентирующим действием электрического поля. Поэтому при дальнейшем нагревании (при Т>Т_М) дипольно-релаксационная поляризуемость уменьшается (участок 2-3). Таким образом, при нагревании возрастает, проходит через температурный максимум и далее снижается.

Сопротивление в цепи учитывает потери энергии, которые расходуются для поворота диполей в вязкой среде.

ДП свойственна:

• полярным газам;

• жидкостям;

• может наблюдаться у твердых полярных органических веществ.

Электронно-релаксационная поляризациявозникает вследствие возбуждения тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок. Характерна для диэлектриков с высоким показателем преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью. Следует отметить высокое значение диэлектрической проницаемости, которое может быть при электронно-релаксационной поляризации.

Миграционная поляризациянаблюдается в твердых диэлектриках с макроскопически неоднородной структурой (например, в слоистых материалах), а также в диэлектриках, содержащих проводящие и полупроводящие включения (поры, заполненные влагой). При внесении в электрическое поле диэлектрика, имеющего слоистое строение (гетинакс, текстолит), в результате разной электропроводности различных слоев, на границе их раздела и в приэлектродных объемах, начнут накапливаться заряды медленно движущихся ионов, и возникнетмежслойная поляризация,которая и обуславливает миграционную поляризацию.

Миграционная поляризация протекает очень медленно (до десятков минут), поэтому она проявляется только при постоянном напряжении и на низких частотах (до 0,5 кГц). С увеличением частоты напряжения миграционнаяполяризуемость линейно снижается и при  не проявляется. С увеличением температуры возрастает, так как увеличивается процесс накопления зарядов. Этот вид поляризации вызывает у материала заметное увеличение диэлектрической проницаемости и особенно диэлектрических потерь .

Спонтанная поляризациясуществует у сегнетоэлектриков. В таких веществах имеются отдельные области (домены), обладающие электрическим моментом в отсутствии внешнего поля. Однако при этом ориентация электрических моментов в разных доменах различна. Наложение внешнего поля способствует преимущественно ориентации электрических моментов доменов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации. В отличие от других видов поляризации при некотором значении напряженности внешнего поля наступает насыщение, и дальнейшее усиление поля уже не вызывает возрастания интенсивности поляризации.

В температурной зависимости  наблюдается один или несколько максимумов. В переменных электрических полях материалы с самопроизвольной поляризацией характеризуются значительным рассеянием энергии, т.е. выделением теплоты.

1.8.1. Типы диэлектриков

 

Диэлектриками (или изоляторами) называют вещества, практически не проводящие электрического тока.

Все виды молекул, из которых состоят диэлектрики, можно отнести к трем типам.

 

Виды молекул, из которых состоят диэлектрики:

1) неполярные молекулы, у которых центры тяжести отрицательных и положительных зарядов совпадают; симметричные неполярные молекулы  в отсутствие внешнего поля имеют нулевой дипольный момент (например, N₂, H₂,O₂, CO₂).

2) полярные молекулы, которые вследствие асимметрии имеют ненулевой дипольный момент (порядка 10^–29 –10^–30 Кл×м) в отсутствие внешнего электрического поля (например, H₂O, NH₃, SO₂, CO, CH₂Cl).

3) ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков (например, NaCl, KCl).

 

1.8.2. Виды поляризации

 

Если диэлектрик внести во внешнее электрическое поле, на его поверхностях появляются заряды. Это явление называется поляризацией диэлектриков, а сами заряды называются связанными, так как они могут смещаться только в пределах самой молекулы.

Поляризация среды – процесс, в результате которого физический объект (атом, молекула, твердое тело и др.) приобретает дипольный момент отличный от нуля.

Нескомпенсированные заряды, появляющиеся в результате поляризации диэлектрика, называются поляризационными или связанными.

 

Рис. 1.34. Электронная или деформационная поляризация

Рис. 1.35. Ориентационная или дипольная поляризация

При снятии внешнего поля поляризация практически мгновенно исчезает. В зависимости от того, из какого типа молекул состоит диэлектрик различают следующие типы поляризации:

Деформационная (электронная)   поляризация наблюдается   для веществ с    неполярными молекулами. Деформационная поляризация диэлектрика с неполярными молекулами обусловлена смещением в электрическом поле электронных оболочек относительно атомных ядер (положительно заряженные ядра смещаются по направлению поля, отрицательно заряженные электронные оболочки - против поля). Молекулы   растягиваются и образуют диполь (рис. 1.34). При не очень сильных внешних полях электрический момент диполя   оказывается пропорциональным напряженности поля Е: р ~ Е и можно записать:

(1.59)

где  –  поляризуемость атома (молекулы), зависящая только от объема атома (молекулы) и имеющая размерность объема. Поляризуемость некоторых элементов в единицах 10^–24 см³ приведена в таблице 1.

   Таблица 1.

Элемент	H	He	Li	Be	C	Ne	Na	Ar	K
	0,66	0,21	12	9,3	1,5	0,4	27	1,6	34

Примерами веществ, для которых наблюдается деформационная поляризация, являются: водород Н₂, парафин, ССl₄ и др.

 Ориентационная или дипольная поляризация диэлектрика с полярными молекулами, заключающаяся в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул по полю (рис. 1.35). На рис. 1.35 полярные молекулы символически показаны в виде диполей. При отсутствии внешнего поля молекулы ориентированы хаотически. Во внешнем поле молекулы-диполи стремятся ориентироваться по полю, но им «мешает» тепловое движение, поэтому строгой ориентации не происходит, но тем не менее на поверхностях диэлектрика появляются связанные заряды с поверхностной плотностью _связ. Эта ориентация тем сильнее, чем больше напряженность электрического поля и ниже температура. Такой вид поляризации характерен для полярных газов и жидкостей, а также  и для кристаллов, в которых дипольные моменты могут поворачиваться. К веществам с полярными молекулами относятся вода, HCl, NH₃, CO и др.

  Ионная поляризация диэлектриков с ионными кристаллическими решетками, заключающаяся в смещении подрешетки положительных ионов вдоль поля, а отрицательных – против поля, приводящем к возникновению дипольных моментов. Например, кристалл NaCl представляет собой вдвинутые друг в друга решетки из положительных и отрицательных ионов. Под воздействием внешнего электрического поля происходит смещение одной кристаллической решетки относительно другой.

 

1.8.3. Поляризованность

 

Для количественного описания поляризации диэлектрика используется векторная величина – поляризованность, которая  по смыслу представляет собой векторную сумму дипольных моментов всех молекул в единице объема диэлектрика.

(1.60)

Для большинства изотропных диэлектриков поляризованность линейно зависит от напряженности поля в диэлектрике:

(1.61)

 

где  – диэлектрическая восприимчивость вещества, характеризующая свойства диэлектрика, не зависящая от напряженности поля, она зависит от плотности диэлектрика и температуры (c - греческая буква «хи»). Безразмерная величина, всегда   > 0. Для некоторых ионных кристаллов, электретов и сегнетоэлектриков формула (1.61) неприменима. У сегнетоэлектриков связь между поляризованностью и напряженностью поля нелинейная.

Поле вектора  обладает следующим замечательным свойством.

Поток вектора  сквозь произвольную замкнутую поверхность S равен, взятому с обратным знаком избыточному связанному заряду диэлектрика в объеме, охватываемом поверхностью S:

(1.62)

 

1.8.4. Диэлектрическая проницаемость среды

 

Вследствие поляризации на поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные заряды, которые называются связанными (в отличие от сторонних зарядов, которые создают внешнее поле).

Поле  внутри диэлектрика, создаваемое связанными зарядами, направлено против внешнего поля , создаваемого сторонними зарядами. Результирующее поле внутри диэлектрика

(1.63)

 

Рис. 1.36. Напряженность электрического поля в диэлектрике	Поместим в поле плоского конденсатора, заряженного с поверхностной плотностью заряда    диэлектрик так, чтобы его поверхность была перпендикулярна силовым линиям поля (см.рис. 1.36). На поверхности диэлектрика появляются связанные заряды с поверхностной плотностью . Напряженность поля конденсатора Е0, напряженность поля связанных зарядов Е. В соответствии с принципом суперпозиции:
		(1.64)

Полный дипольный момент диэлектрической пластинки  толщиной d  и площадью грани S: p_V = PV = PSd, с другой стороны:  p_V =qd = Sd. Отсюда = P.

 

Откуда напряженность результирующего поля внутри диэлектрика равна:

(1.65)

 

Диэлектрическая проницаемость среды – безразмерная величина, которая характеризует способность диэлектрика поляризоваться в электрическом поле и показывает во сколько раз поле ослабляется диэлектриком

(1.66)

 

 

1.8.5. Электрическое смещение

 

Напряженность электрического поля зависит от свойств среды. Кроме того, вектор напряженности претерпевает скачкообразные изменения при переходе через границу диэлектрика, поэтому для непрерывного описания электрического поля с учетом поляризационных свойств среды вводится вектор электрического смещения (электрической индукции), который для изотропной среды записывается так

(1.67)

Единица измерения в СИ: Кл/м²

Аналогично линиям напряженности, можно ввести линии электрического смещения. Через области поля, где находятся связанные заряды, линии вектора  проходят не прерываясь.

Для произвольной замкнутой поверхности S поток вектора  сквозь эту поверхность

 

где D_n – проекция вектора  на нормаль к площадке dS.

 

1.8.6. Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике

 

 

Рис.1.37.	Пусть заряд +q окружен оболочкой из твердого диэлектрика. На рис. 1.37 показаны схематически несколько молекул диэлектрика. Они стремятся ориентироваться по полю этого заряда. Диэлектрик поляризуется, на внешней его поверхности возникает связанный заряд +qсвяз , на внутренней  -qсвяз. Допустим, мы хотим найти напряженность поля в диэлектрике с помощью теоремы Гаусса. Выбираем гауссову поверхность в виде сферы. Она будет охватывать не только заряд +q, но и отрицательные связанные заряды, как бы «отсекая» часть молекулы. Теорема Гаусса для вектора напряженности при наличии диэлектрика запишется в виде:
		(1.68)

 

q_связ - отрицательный связанный заряд, охватываемый гауссовой поверхностью. Найти связанный заряд q_связ можно только в самых простых случаях. Поэтому эта формула оказывается малополезной для нахождения поля  в диэлектрике. Но можно записать теорему Гаусса для вектора электрической индукции . Подставим (1.62) и (1.67) в (1.68), получим выражение для теоремы Гаусса в виде:

(1.69)

 

 

Поток вектора смещения электростатического поля в диэлектрике сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности сторонних электрических зарядов.

Таким образом, для определения напряженности поля при наличии диэлектрика следует использовать теорему Гаусса для электрической индукции D, а затем найти напряженность по формуле D = _oE, тем самым мы избавляемся от необходимости нахождения связанных зарядов.

Для непрерывного распределения стороннего заряда в пространстве с объемной плотностью  = dq/dV

 

 

1.8.7. Условия на границе раздела двух диэлектрических сред

 

 

Пусть поле вблизи границы раздела в диэлектрике 1 равно Е₁ а в диэлектрике 2 - Е₂. Вектор напряженности можно разложить на две составляющие (рис.1.38), т.е.

 

Рис.1.38.

 

Возьмем небольшой вытянутый прямоугольный контур, ориентировав его так, как показано на рис. 1.38. Стороны контура, параллельные границе раздела, должны иметь такую длину, чтобы в ее пределах поле  в каждом диэлектрике можно было считать одинаковым, а «высота» контура должна быть пренебрежимо малой. Тогда, согласно теореме о циркуляции вектора   по контуру АBCDA (рис. 1.39 а)

 

а)	б)
Рис. 1.39. Условия на границе двух диэлектрических сред

 

 

откуда   

 

(1.70)

т. е. тангенциальная составляющая вектора  оказывается одинаковой по обе стороны границы раздела (не претерпевает скачка).

Возьмем очень малой высоты цилиндр, расположив его на границе раздела двух диэлект­риков (рис. 1.39 б). Сечение цилиндра должно быть таким, чтобы в пределах каждого его торца вектор  был одинаков. Тогда согласно теореме Гаусса для вектора :

где   – поверхностная плотность стороннего заряда на границе  раздела. Учитывая, что

получим

Взяв обе проекции вектора  на общую нормаль  (она направлена от диэлектрика 2 к диэлектрику 1) получим  D_2n = -D_2n , и предыдущее  уравнение можно привести к виду

(1.71)

Из этого соотношения видно, что нормальная составляющая вектора , вообще говоря, претерпевает скачок при переходе границы раздела. Однако если сторонние заряды на границе раздела отсутствуют (= 0), то

(1.72)

в этом случае нормальные составляющие вектора D скачка не испытывают, они оказываются одинаковыми по разные стороны границы раздела.

Преломление линий напряженности и электрического смещения

Если сторонних зарядов на границе раздела нет, то согласно (1.70) и (1.72)

	(1.73)

Рис.1.40. Преломление линий напряженности	Из рис. 1.40 следует, что
	отсюда с учетом предыдущих условий получаем закон преломления линий Е, а значит, и линий D:
		(1.74)
	На границе раздела двух диэлектриков линии векторов Е и D испытывают излом. Это означает, что в диэлектрике с большим значением  линии Е и D будут составлять больший угол с нормалью к границе раздела  (на рис. 1.40 2 > l).

Таким образом, при переходе через границу раздела двух диэлектрических сред тангенциальная составляющая вектора напряженности Е_ и нормальная составляющая вектора смещения D_n изменяются непрерывно (если сторонних зарядов на границе раздела нет), а нормальная составляющая вектора напряженности Е_n и тангенциальная составляющая вектора смещения D_претерпевают скачок.

1.8.8. Сегнетоэлектрики

 

Рис. 1.41. Сегнетоэлектрик

Существует группа веществ, которые могут обладать  спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью в отсутствие внешнего поля. Это явление было первоначально открыто для сегнетовой соли, в связи с чем все подобные вещества получили название сегнетоэлектриков. Первое детальное исследование электрических свойств сегнетовой соли было осуществлено Курчатовым и Кобеко.

Сегнетоэлектриками называются кристаллические диэлектрики, у которых в отсутствие внешнего электрического поля возникает самопроизвольная ориентация дипольных электрических моментов составляющих его частиц.

Сегнетоэлектрики отличаются от остальных диэлектриков рядом характерных особенностей:

1. В то время как у обычных диэлектриков  составляет несколько единиц, достигая в виде исключения нескольких десятков (у воды, например,  = 81), диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков бывает порядка нескольких тысяч.

2. Зависимость  от    не является линейной. Следовательно, диэлектрическая проницаемость оказывается зависящей от напряженности поля.

 

Рис. 1.42. Петля гистерезиса

3. При изменениях поля значения поляризованности Р (а следовательно, и смещения D) отстают от напряженности поля Е, в результате чего Р и D определяются не только величиной Е в данный момент, но и предшествующими значениями Е, т. е.  зависят от предыстории диэлектрика.  Это явление называется    гистерезисом (от   греческого «гистерезис»  – запаздывание). При циклических изменениях поля зависимость Р от Е  изображается кривой,    называемой      петлей гистерезиса (рис. 1.42). При первоначальном включении поля поляризованность растет с Е в соответствии с ветвью 1 кривой. Уменьшение Р происходит по ветви 2. При обращении Е в нуль вещество сохраняет значение поляризованности Рr, называемое    остаточной     поляризованностью.  Только под действием противоположно направленного поля напряженности Есполяризованность ставится равной нулю.   Это значение напряженности называется    коэрцитивной    силой.   При дальнейшем изменении Е получается ветвь 3 петли гистерезиса.     Поведение поляризованности сегнетоэлектриков аналогично поведению намагниченности ферромагнетиков. По этой причине сегнетоэлектрики называют иногда  ферроэлектриками.

Примеры: сегнетова  соль NaKC₄H₄O₆·4H₂O;  титанат бария BaTiO₃.

Сегнетоэлектрики состоят из доменов – областей спонтанной поляризации, в пределах каждой области дипольные моменты параллельны друг другу (рис. 1.41). Под действием внешнего поля дипольные моменты доменов поворачиваются как целое, устанавливаясь по направлению поля.

Температура, выше которой исчезают сегнетоэлектрические свойства  называется точкой  Кюри. Сегнетова соль имеет две точки Кюри: -15°С и +22,5°С, причем она ведет себя как сегнетоэлектрик лишь в температурном интервале, ограниченном указанными значениями. При температуре ниже -15 °С и выше +22,5°С электрические свойства сегнетовой соли обычны.

Диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость

Такие явления, как диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость, встречаются не только в физике, но и в обычной жизни. В связи с этим следует определить значения данных явлений в науке, их влияние и применение в обычной жизни. Определение напряженности Напряженность является векторной величиной в физике, которая вычисляется по силе, влияющей на единичный положительный заряд, размещенный в исследуемой точке поля. После помещения диэлектрика во внешнее электростатическое поле он приобретает дипольный момент, иначе говоря, поляризуется. Чтобы количественно описать поляризацию в диэлектрике, применяют поляризованность - векторный физический показатель, вычисляемый как дипольный момент значения объема диэлектрика. Вектор напряженности после перехода сквозь грань между двумя диэлектриками испытывает скачкообразное изменения, вызывая этим помехи во время расчета электростатических полей. В связи с этим вводится дополнительная характеристика - вектор электрического смещения. С помощью диэлектрической проницаемости можно узнать, во сколько раз диэлектрик может ослабить внешнее поле. С целью наиболее рационального объяснения электростатических полей в диэлектриках применяется вектор электрического смещения. Основные определения Абсолютная диэлектрическая проницаемость среды является коэффициентом, который входит в математическую запись закона Кулона и уравнения взаимосвязи напряженности электрического поля и электрической индукции. Абсолютная диэлектрическая проницаемость может быть представлена в виде произведения относительного показателя диэлектрической проницаемости среды и постоянной электричества. Диэлектрическая восприимчивость, называемая поляризуемостью вещества, является физической величиной, способной поляризироваться под влиянием электрического поля. Также это коэффициент линейной связи внешнего электрического поля с поляризацией диэлектрика в малом поле. Формула диэлектрической восприимчивости записывается так: Х=na. В большинстве случаев диэлектрики имеют положительную диэлектрическую восприимчивость, при этом данная величина является безразмерной. Сегнетоэлектричество является физическим явлением, присутствующим в определенных кристаллах, которые называются сегнетоэлектриками, при определенных температурных значениях. Оно заключается в появлении спонтанной поляризации в кристалле даже без внешнего электрического поля. Отличие сегнетоэлектриков от пироэлектриков состоит в том, что в определенных температурных диапазонах их кристаллическая модификация изменяется, а случайная поляризация исчезает. Электрики в поле ведут себя не как проводники, однако они имеют общие признаки. Диэлектрик отличается от проводника отсутствием свободных заряженных носителей. Они там присутствуют, но в минимальных количествах. В проводнике подобным носителем заряда станет электрон, свободно перемещающийся в кристаллической решетке металла. Однако электроны в диэлектрике связаны с собственными атомами и не могут легко перемещаться. После внесения диэлектриков в поле с электричеством в нем появляется электризация, подобно проводнику. Отличием от диэлектрика является то, что электроны не свободно перемещаются по всему объему, как это протекает в проводнике. Однако под влиянием наружного электрического поля изнутри молекулы вещества возникает легкое смещение зарядов: положительный будет смещен по направлению поля, а отрицательный - наоборот. - В связи с этим поверхность приобретает определенный заряд. Процедура возникновения заряда на поверхности вещества под влиянием электрических полей именуется поляризацией диэлектрика. Если в однородном и неполярном диэлектрике с определенной концентрацией молекул все частицы одинаковы, то поляризация также будет одинакова. И в случае с диэлектрической восприимчивостью диэлектрика данная величина будет безразмерной. Связанные заряды По причине процесса поляризации в объёме диэлектрического вещества появляются некомпенсированные заряды, называемые поляризационными или связанными. Частицы, имеющие данные заряды, имеются в зарядах молекул и под влиянием наружного электрического поля смещаются из положения равновесия, не выходя из молекулы, в составе которой они располагаются. Связанные заряды характеризуются поверхностной плотностью. Диэлектрическая восприимчивость и проницаемость среды определяет, во сколько раз сила связи двух электрических зарядов в пространстве меньше того же показателя в вакууме. Относительная воздушная восприимчивость и проницаемость и большей части других газов в стандартных условиях близится к единице (из-за малой плоскости). Относительная диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость в сегнетоэлектриках составляет десятки и сотни тысяч на поверхности разделения пары диэлектриков с различающимися показателями абсолютной диэлектрической проницаемости и восприимчивости вещества, а также равными между ними касательными составляющими напряжённости. Среди множества практических ситуаций происходит встреча с переходом тока из металлического тела в окружающий мир, при этом удельная проводимость последней в несколько раз меньше проводимости данного тела. Подобные ситуации могут встречаться, к примеру, во время перехода тока сквозь зарытые в грунт металлические электроды. Зачастую используют электроды из стали. Если стоит задача определить диэлектрическую восприимчивость стекла, то задача будет несколько осложнена тем, что данное вещество имеет ионно-релаксационное свойство, из-за которого появляется небольшая запоздалость. - На границе пары диэлектриков с разными проницаемостями в присутствии внешнего поля появляются поляризационные заряды с различными показателями с разыми поверхностными плотностями. Так получается новое условие преломления линии поля во время перехода из диэлектрика в другой. Закон преломления в случае с линиями тока по своей форме может считаться аналогичным закону преломления линий смещения на грани двух диэлектриков в электростатических полях. Каждое тело и вещество окружающего мира имеет определенные электрические свойства. Причина этому кроется в молекулярной и атомной структуре - присутствие заряженных частиц, которые пребывают во взаимосвязанном или свободном состоянии. Если на вещество не влияет внешнее поле, то такие части располагаются, уравновешивая друг друга, в общем суммарном объеме, не создавая дополнительных электрических полей. Если случится приложение электрической энергии снаружи, внутри имеющихся молекул и атомов появится перераспределение зарядов, что приведёт к появлению собственного внутреннего поля, которое будет направлено навстречу наружному. При обозначении приложенного внешнего поля как Е0, а внутреннего Е', то все поле Е будет суммой этих величин. Все вещества в электричестве принято разделять на: проводники; диэлектрики. Данная классификация существует достаточно давно, однако не совсем точна, поскольку наука давно открыла тела с новыми или комбинированными свойствами вещества. Проводники В качестве проводящих веществ могут выступать среды, в которых присутствуют свободные заряды. Зачастую таковыми материями считают металлы, поскольку их структура подразумевает постоянное присутствие свободных электронов, способных перемещаться внутри всей полости вещества. Диэлектрическая восприимчивость среды позволяет быть участником теплового процесса Если проводник находится в изоляции от влияния наружного электрического поля, то внутри него появляется баланс между положительными и отрицательными зарядами. Данное состояние сразу исчезает при появлении проводника в электрическом поле, который своей энергией перераспределяет заряженные частицы и провоцирует появление несбалансированных зарядов с положительной и отрицательной величиной на внешней поверхности Данное явление называют электростатической индукцией. Появившееся под её действием заряды на поверхности металла называют индукционными зарядами. Возникшие в проводнике индукционные заряды создают собственное поле, компенсирующее влияние внешнего поля внутри проводника. В связи с этим показатель полного суммарного электростатического поля будет скомпенсирован и равняться 0. Потенциалы каждой точки внутри и снаружи равны. Данный результат свидетельствует о том, что изнутри проводника (даже с подключённым внешнем полем) отсутствует различие в потенциалах и нет электростатического поля. Данный факт применяется в экранировании из-за использования метода электрооптической защиты человека и чувствительного к полям электрооборудования, в особенности высокоточных приборов по измерению и микропроцессорной техники. Связь между диэлектрической проницаемостью и восприимчивостью так же имеется. Однако выражена она может быть с помощью формулы. Так связь диэлектрической проницаемости и диэлектрической восприимчивости имеет следующую запись: е=1+Х. Принцип электростатической защиты С помощью экранирования одежда и обувь из материй с токопроводящими свойствами, в том числе головные уборы, применяются в энергетике для безопасности персонала, проводящих работы в условиях высокой напряжённости, провоцируемой высоковольтными устройствами. Электростатическое поле не проникает внутрь проводника, потому что при внесении проводника в электрическое поле оно будет скомпенсировано полем, которое возникает в связи с перемещением свободных зарядов. Диэлектрики Данное название принадлежит веществам, имеющим изоляционные качества. В их составе пребывают лишь взаимосвязанные заряды, а не свободные. Каждая положительная частица в них будет скреплена с отрицательной внутри атома с общим нейтральным зарядом без свободного перемещения. Они распределяются изнутри диэлектриков и не могут изменять своего положения под влиянием наружных полей. При этом диэлектрическая восприимчивость вещества и получаемая энергия все-таки влечет определенные изменения в структуре вещества. Изнутри атома и молекулы меняется соотношение положительного и отрицательного зарядов частицы, а на поверхности вещества появляются лишние несбалансированные взаимосвязанные заряды, создающие внутреннее электрическое поле. Оно направленно навстречу прилагаемой снаружи напряженности. Данное явление именуют поляризацией диэлектрика. Характеризоваться оно может тем, что изнутри вещества возникает электрическое поле, вызванное влияние наружной энергии, но ослабляемое противодействием внутреннего поля. Типы поляризации Внутри диэлектриков она может быть представлена двумя видами: ориентационная; электронная. Первый тип также обладает дополнительным называнием - дипольная поляризация. Это свойство присуще диэлектрикам со смещенными центрами у положительного и отрицательного заряда, которые создают молекулы из малых диполей - нейтральной совокупности пары зарядов. Данное явление характерно для жидкости, сероводорода, доносила азота. Без влияния наружного электрического поля у данных веществ молекулярные диполи ориентируются хаотично под действием действующих температурных изменений, при на внешней стороне у диэлектрика не появляется электрический заряд. Данная картина меняется под действием прилагаемой снаружи энергии, когда диполи не сильно меняют собственную ориентацию и на поверхности появляются не скомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле со встречным направление к прилагаемому извне полю. Электронная поляризация, упругий механизм Данное явление возникает у неполярных диэлектриков - материалов иного типа с молекулами, в которых отсутствует дипольный момент, который под действием наружного поля деформируется так, что только положительные заряды ориентируются по направлению вектора внешнего поля, а отрицательные - в противолежащую стороны. По итогу каждая молекула функционирует как электрический диполь, ориентированный по оси приложенного наружного поля. Подобным образом появляется на внешней поверхности собственное поле, имеющее встречное направление. Поляризация неполярного диэлектрика У данных веществ изменение молекул и последующая поляризация от влияния поля снаружи не находится в зависимости от их перемещения под действием температуры. В роли неполярного диэлектрика можно использовать метан СН4. Численные показатели внутреннего поля у обоих диэлектриков по величине поначалу будут изменяться пропорционально изменению наружного поля, а после насыщения появляются эффекты нелинейного типа. Они появляются, когда каждая молекулярная диполь выстроилась вдоль силовых линий возле полярных диэлектриков либо случились изменения неполярных веществ, вызванные сильной деформацией атомов и молекул от большой величины приложенной снаружи энергии. В практических случаях подобное происходит крайне редко. Диэлектрическая проницаемость В числе изоляционных материалов серьёзная роль отводится электрическим показателям и такой характеристике, как диэлектрическая проницаемость. Оба расценивается по двум разным характеристикам: абсолютное значение; относительный показатель. Под термином абсолютной диэлектрической проницаемости у вещества понимается обращение к математической записи закона Кулона. С её помощью описывается в форме коэффициента связь вектора индукции и напряжённости