Поляризация диэлектриков

1. Диэлектрик в электрическом поле

Основным, характерным для любого диэлектрика процессом, возникающим при воздействии на него электрического напряжения, является поляризация.

Поляризация – ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.

О явлениях, обусловленных поляризацией диэлектрика, можно судить по значению диэлектрической проницаемости, а также угла диэлектрических потерь, если поляризация сопровождается рассеянием энергии, вызывающим нагрев диэлектрика.

В нагреве технического диэлектрика могут участвовать немногочисленные содержащиеся в нем свободные заряды, обуславливающие возникновение под воздействием электрического напряжения малого сквозного тока, проходящего через толщу диэлектрика и по его поверхности.

Наличием сквозного тока объясняется явление электропроводности технического диэлектрика, численно характеризуемой значениями удельной объемной электрической проводимости и удельной поверхностной электрической проводимости, являющимися обратными соответствующим значениям удельных объемногоиповерхностногоэлектрических сопротивлений.

В чем же заключается принцип поляризации? Под влиянием электрического поля связанные электрические заряды диэлектрика смещаются в направлении действующих на них сил и тем больше, чем выше напряженность поля. При снятии электрического поля заряды возвращаются в исходное состояние. В полярных диэлектриках, содержащих дипольные молекулы, воздействие электрического поля вызывает еще и ориентацию диполей в направлении поля. При отсутствии поля диполи дезориентируются вследствие теплового движения.

Большинство диэлектриков характеризуются линейной зависимостью электрического смещения, т.е. поляризации от напряженности электрического поля, созданного в диэлектрике. Особую группу составляют диэлектрики, в которых с изменением напряженности поля смещение меняется нелинейно, обнаруживая насыщение при некотором значении напряженности поля. Такие диэлектрики называются сегнетоэлектриками.Наименование «сегнетоэлектрик» связано с тем, что нелинейность поляризации впервые была обнаружена у сегнетовой соли. Именно с помощью данного вещества в 1855 французкий аптекарь открыл явление электрического старения, выражающееся в уменьшении диэлектрической проницаемости со временем.

- для большинства линейных диэлектриков;

- для сегнетоэлектриков, так называемых нелинейных диэлектриков,

где Р-поляризованность;

- электрическая постоянная,;

- относительная диэлектрическая проницаемость.

Как я уже говорил, любой диэлектрик с нанесенными на него электродами, включенными в электрическую цепь, может рассматриваться как конденсатор определенной емкости.

Вам известно, что электрическое поле изображают с помощью силовых линий. Напряженность электрического поля, характеризуется силой, действующей на точечный электрический зарядQ, помещенный в это поле.

Для плоского конденсатора напряженность однородного поля определяется из выражения:

где - напряжение между пластинами;

d– расстояние между заряженными пластинами.

Электрические заряды размещаются по поверхности проводника и характеризуются поверхностной плотностью заряда , определяемой из равенства:

Если известна напряженность однородного электрического поля, то поверхностную плотность заряда можно определить из выражения:

где - электрическая постоянная,.

Векторная величина где– вектор электрического смещения, направлен от положительного заряда к отрицательному.

Если же в поле плоского конденсатора поместить диэлектрик, то часть электрического смещения будет обусловлена егополяризацией. Заряд конденсатора будет складываться из заряда , который присутствовал на электродах, если бы их разделял вакуум, и заряда, который обусловлен поляризацией диэлектрика, фактически разделяющего электроды:

.

Одной из важнейших характеристик диэлектрика является его относительная диэлектрическая проницаемость.Эта величинапредставляет собой отношение заряда Q, полученное при некотором напряжении на конденсаторе, содержащем данный диэлектрик, к заряду, который можно было бы получить в конденсаторе тех же размеров и при том же напряжении, если бы между электродами находился вакуум.

Из выражения следует, что относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы и равна единице только для вакуума. Соотношение приведенное выше может быть представлено в виде

где – емкость, которую имел бы конденсатор, если бы его электроды разделял бы вакуум.

Из формулы видно, что диэлектрическую проницаемость вещества можно определить как отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком к емкости конденсатора тех же размеров, диэлектриком которого является вакуум.