Каким образом диэлектрик реагирует на электрическое поле?
П
риложение
к диэлектрику электрического поля
приводит к нескольким обратимым и
необратимым физическим явлениям, причем
не только электрическим. Но также
механическим и тепловым.
Из
электрических явлений в первую очередь
отметим поляризацию, вследствие которой
электрическая индукция в диэлектриках
оказывается больше, чем в вакууме. Если
в пространстве между электродами
диэлектрик отсутствует (вакуум), то
величина электронной индукции равна
,
где
– электрическая постоянная, характеризующая
абсолютную диэлектрическую проницаемость
вакуума. Если между электродами поместить
диэлектрик, то в нем положительные и
отрицательные заряды атомов и молекул
смещаются друг относительно друга –
происходит поляризация, вследствие
чего возникает суммарный электрический
момент. Удельный электрический
момент(отнесенный к объему поляризованного
диэлектрика) называют поляризованностью
Р. Величина поляризованности тем выше,
чем больше напряженность электрического
поля. Таким образом, в диэлектрике
электрическая индукция определяется
суммой:
.
Способность
диэлектрика к поляризации во внешнем
поле характеризуется относительной
диэлектрической проницаемостью
,
которая показывает, во сколько раз
электрическая индукция в диэлектрике
больше, чем в вакууме:
.
На процессы поляризации диэлектриков обычно влияет изменение температуры, вследствие чего зависит и от температуры. В случае переменного напряжения диэлектрическая проницаемость может изменяться с частотой. Т.о. проницаемость – важнейший параметр для диэлектриков.
В
торое
явление – электропроводность. Если
поле невелико, то плотность тока
пропорциональна E:
,
где
– удельная объемная проводимость. В
сильных полях закон Ома нарушается,
наблюдается нелинейность проводимости.
Возрастание проводимости в сильных полях играет определяющую роль при нарушении электрической прочности – устойчивого состояния с малой и неизменной во времени электропроводностью. В сильном поле напряжение может стать настолько большим, что возникает электрический пробой.
Механические
эффекты, возникающие под действием
электрического поля: во всех диэлектриках
во внешнем поле возникает электрострикция.
При этом поле вызывает механическую
деформацию диэлектрика:
,
так что эффект является электромеханическим.
Практически во всех диэлектриках
,
т.е. воздействие электрического поля
приводит к растяжению диэлектрика в
направлении приложенного поля.
Физическая природа явления электрострикции – упругое смещение электрических зарядов в электрическом поле приводит не только к появлению электрического момента ( поляризованности), но и к механической деформации поляризованного диэлектрика. Поэтому электрострикция, как и поляризация, является обратимым эффектом. Но в отличие от поляризации, которая в слабых полях всегда линейна, электрострикция представляет собой квадратичный эффект.
В
некоторых твердых диэлектриках (
обладающих нецетросимметричной
структурой) кроме квадратичного
электромеханического эффекта наблюдается
еще и линейный эффект, когда деформация
диэлектрика пропорциональна первой
степени электрического поля:
.
Из рис.1.4 видно, знак механической
деформации диэлектрика в этом случае
изменяется при перемене полярности
электрического напряжения, причем уже
в достаточно слабых полях величина
может быть значительной. Это явление
называется обратным пьезоэффектом.
Прямой пьезоэффект заключается в появлении поляризации при механическом сжатии или растяжении некоторых кристаллов-диэлектриков, называемых пьезоэлектриками. Пьезоэффект представляет собой обратимый эффект.
Кроме электрических и механических «откликов» воздействия поля на диэлектрики приводит к тепловым эффектам. Диэлектрические потери – характеризуют необратимый переход электрической энергии в тепловую. В переменных электрических полях потери в диэлектриках обусловлены инерционностью сравнительно медленных видов поляризации, а также потерями на электропроводность. В постоянном поле потери обусловлены только электропроводностью (джоулева теплота).
В
кристаллах –пироэлектриках возможен
не только квадратичный, но и линейный
электротепловой эффект, при котором
.
Как видно из формулы, в зависимости от
полярности электрического поля возможен
не только нагрев, но и охлаждение
диэлектрика в приложенном извне
электронном поле. Этот эффект является
обратимым и называется электрокалорическим,
а параметр
– электрокалорической константой.