Теоретические знания

1 Диэлектрические материалы

К диэлектрикам относятся вещества, проводимость которых незначительна. Условной границей величины удельного сопротивления технических диэлектриков принято считать ρ > 10⁷ Ом·м. Качественный диэлектрик имеет ρ > 10¹⁷ Ом·м. Идеальный диэлектрик вообще не имеет свободных носителей заряда, то есть не имеет активной проводимости.

Учитывая свойства материала, которые проявляются в переменном электрическом поле, к группе технических диэлектриков относят вещества, в которых отношение удельной активной проводимости к реактивной меньше чем 0,1.

С точки зрения зонной теории твердых тел к диэлектрикам относят вещества, у которых валентная зона при Т = 0 К полностью заполнена электронами, а зона проводимости отделена от нее запрещенной зоной, которая равняется 3 и более эВ.

Общими признаками диэлектриков являются следующие свойства:

1. Хранить внутри себя электростатическое поле, уменьшая силу кулоновского взаимодействия в ε раз, то есть ослаблять электрическое поле в ε раз.

2. Иметь электрический момент во внешнем электрическом поле пропорциональный напряженности поля.

3. Уменьшать скорость электромагнитной волны (соответственно длину волны) в раз по отношению к ее скорости в вакууме.

4. Увеличивать емкость конденсатора в ε раз по сравнению с емкостью такого же конденсатора с вакуумным промежутком.

Диэлектрик характеризуется упругими связями зарядов, электронов и ядер в атомах, атомов и ионов в молекулах. Такая структура молекул в диэлектрике обусловливает электрическое смещение и поляризацию зарядов под воздействием сил электрического поля, что характеризуется как процесс поляризации (рис.1.2). Диэлектрик характеризуется диэлектрической проницаемостью, тангенсом угла диэлектрических потерь, удельным сопротивлением и электрической прочностью.

2 Поляризация диэлектрика

Основной процесс в диэлектрике, который возникает под воздействием электрического поля - поляризация - смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул. В теории электромагнитного поля поляризацию можно описать понятиям “плотность электрического смещения”

(1.5)

где _а - абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф/м;

E - напряженность электрического поля;

(1.6)

где  - относительная диэлектрическая проницаемость;

_о= 8,8510^-12 Ф/м - диэлектрическая постоянная.

Модуль вектора D равняется поверхностной плотности заряда раздела двух сред. Не зависимо от типа диэлектрика, который размещается в электрическом поле, на его поверхности образуются заряды с поверхностной плотностью D, а весь диэлектрик приобретает электрический момент

(1.7)

где Q - полный заряд диэлектрика;

l - расстояние между поверхностями диэлектрика.

Такое состояние диэлектрика называется поляризованным. В результате поляризации внешнее поле будет ослаблено в ε раз сравнительно с вакуумом. Вот почему ε всегда больше 1 и равняется 1 только в вакууме.