3. Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость.

Поляризацией называется состояние вещества, при котором элементарный объем диэлектрика приобретает электрический момент. Возникновение (индуцирование) электрического момента в единице объема образца диэлектрического материала или участка электрической изоляции может происходить под действием электрического поля, механических напряжений или спонтанно (самопроизвольно).

Поляризованность Р - определяет интенсивность поляризации диэлектрика и является количественной характеристикой диэлектрика. Средний электрический момент, приходящийся на одну молекулу диэлектрика, дипольный момент молекулы

p = q^.l, (1) где q - величина заряда, l - расстояние между центрами положительного и отрицательного заряда. Если существует n таких молекул (диполей) в 1 м³, то P = n^.p. (2). Поляризованность Р, Кл^.м/м³ совпадает по значению с поверхностной плотностью зарядов, возникающих на поверхности диэлектрика.

Индуцированный полем электрический момент молекулы р, поляризованность диэлектрика Р и напряженность электрического поля Е векторные физические величины. Векторы Р и Е в изотропных кристаллических диэлектриках и текстурах совпадают и имеют различные направления в анизотропных средах. Для изотропных ("линейных") диэлектриков поляризованость Р пропорциональна напряженности внешнего поля Е: (3), где - безразмерный параметр, диэлектрическая восприимчивость; _о - электрическая постоянная, 8.854^.10^-12 Ф/м.

Для характеристики способности диэлектрических материалов к поляризации в технике используют безразмерный параметр - относительную диэлектрическую проницаемость .

Рассмотрим электрический конденсатор, изготовленный из плоских параллельных пластин площадью S (м²), расстояние между которыми d (м). Приложим к пластинам (электродам) конденсатора электрическое напряжение U и рассмотрим два случая:

На рисунке а) показан конденсатор, помещенный в вакуум. В этом случае на его пластинах возникнет заряд Q_o. На рисунке б) показан тот же конденсатор, между пластинами которого вставлен диэлектрик толщиной, равной расстоянию между электродами. Из-за поляризации диэлектрика в электрическом поле на его противоположных сторонах возникают заряды Q_д, знак которых противоположен знаку поляризационных зарядов на поверхности диэлектрика. Следовательно, полный заряд конденсатора с диэлектриком Q = Q_о + Q_д = ^.Q_о. (4) где - относительная диэлектрическая проницаемость. Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение суммарного заряда конденсатора с диэлектриком к заряду того же конденсатора, если поместить его в вакууме без диэлектрика, т.е. = Q/Q_о = (Q_о + Q_д)/Q_о = 1 + Q_д/Q_о. (5) Из формулы (5) видно, что если Q_д=0, что соответствует относительной диэлектрической проницаемости вакуума, то диэлектрическая проницаемость любого диэлектрика будет больше 1. Определение диэлектрической проницаемости можно дать также и использованием понятия емкости электрического конденсатора С = Q/U. (6) Используя (4) найдем С = Q/U = ^.Q_o/U = ^.С_o, (7) = С/С_o. (8) Используя понятие поляризации и диэлектрической проницаемости можно классифицировать диэлектрики на линейные и нелинейные (пассивные и активные).