Диэлектрическая 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 - один из важнейших параметров, характеризующих диэлектрические материалы. Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собо 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. В дальнейшем для краткости в большинстве случаев термин "относительная" при наименовании диэлектрической проницаемости, опускается.

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).

18. Электронный и ионный механизмы поляризации.

Ионные соединения

Ионные соединения представляют собой твердые неорганические диэлектрики с ионным типом химической связи. Для этой группы соединений характерны, кроме электронной, ионная и электронно-релаксационная поляризации.

Принято выделять группу диэлектриков с быстрыми видами поляризаций - электронной и ионной, и с замедленными видами поляризаций релаксационного типа, накладывающихся на электронную и ионную поляризацию.

Только быстрые виды поляризаций (электронная и ионная) наблюдаются в кристаллических веществах с плотной упаковкой ионов. К таким веществам относятся каменная соль, кварц, слюда, корунд, двуоки титана (рутил) и др. Ко второй группе относятся кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц в решетке - неорганические стекла, электротехнический фарфор, ситаллы, микалекс и др.

Электронная поляризация

Электронная поляризация - смещение электронного облака относительно центра ядра атома или иона в результате чего возникает электрический момент, исчезающий после окончания действия электрического поля. Наблюдается во всех без исключения диэлектриках. Единственным видом поляризации она является в неполярных диэлектриках. Время протекания поляризации 10^-14 - 10^-15с. Так как после снятия поля деформированные электронные оболочки возвращаются прежнее положение, то энергия, затраченная на поляризацию, возвращается источнику электрической энергии, поэтому эта поляризация происходит без потерь энергии. Электронная поляризация вместе ионной составляют группу "упругих" или быстрых видов поляризаций.

Электрический момент P, приходящийся на одну частицу (атом или ион) для не слишком больших полей пропорционален напряженности поля

P = ^. E ; (10)

Коэффициент называется электронной поляризуемостью.

Для многих диэлектриков, таких как газы, неполярные жидкости можно легко установить взаимосвязь между макроскопическим параметром диэлектрической проницаемостью и микроскопическим параметром - поляризуемостью , используя (9):

P =n E= ( -1)E, откуда

=1+ n / . (11)

частиц от температуры не зависит, но диэлектрическая проницаемость, как видно из последней формулы, зависит от числа частиц в единице объема n, которое уменьшается с повышением температуры изза теплового расширения диэлектрика.

 

В температурной зависимости диэлектрической проницаемости неполярных диэлектриков резкое уменьшение с температурой наблюдается при переходах вещества из одного агрегатного состояния в другое из твердого в жидкое и из жидкого в газообразное состояние, как показано на рисунке. Состояния: 1 - твердое, 2 - жидкое, 3 - газообразное

Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков близка к квадрату лучепреломления диэлектрика (следствие уравнения Максвела).

Так как время установления поляризации у таких диэлектриков очень мало по сравнению с полупериодом приложенного напряжения, их диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты вплоть до очень высоких частот, порядка 10¹⁴ - 10¹⁶ Гц. При таких частотах будет наблюдаться резонансная поляризация.

 

На рисунке представлена зависимость от частоты (частота в Гц) для неполярных диэлектриков.

Большие отличия от свидетельствуют о том, что кроме электронной, в веществе возникают и другие виды поляризаций.